第2章光分析导论.ppt

1、本章内容：电磁辐射的基本特性物质粒子的杨紫动力学特性电磁辐射和粒子的相互作用光学分析仪器的一般结构和特性(光源、单色装置、探测器)，1，概述：光学分析方法是一种基于电磁辐射和物质相互作用的分析方法。根据作用对象(物质粒子)分为原子光谱、分子光谱。能量转换分为吸收光谱和发射光谱应用。主要应用于物质组成和结构的研究，基团的认识，几何结构的确定，表面分析；定量分析等方面。*光是具有波粒子二重性的电磁波。物质粒子杨紫动力学特性，第二，电磁辐射的特性：基本特性of electro magnetic radiation 1，波动率、波长、波数表示每秒频率的电磁场振动次数。Hz波长电磁波与相邻两峰或山谷之间

2、的距离：公共单位是cm.m .(单位cm)波长的单位是M .时间=104/，2，这意味着光可以由一系列量化的能量子(光子)组成。光由光子或光子流组成，光子的能量集中在光子粒子上，光子能量和光波频率之间的关系为光子能量E=h=hc/=hc。h为Plank常数，h=6.62610-34Js。越长，e越小。德布罗意德布朗斯公式：4，电磁波谱：将电磁辐射按波长大小顺序排列，就能获得电磁波谱；3，物质粒子的量子力学特征基于杨紫理论的观点：原子、分子、离子能量量子化21hhc/例如，原子核电子运动；原子间相对位移引起的振动和旋转；原子核在磁场中旋转都是量子化常用的术语纪宁状态和发生状态：最小能量状态的发生

3、状态：高能量状态。第四，电磁辐射与物质相互作用1，现象：散射：电磁辐射与物质粒子碰撞时改变传播方向的现象。一般分为丁达尔散射和分子散射。折射和反射：折射是因为光在两种介质中的传播速度不同。(棱镜光谱作用的基础)。反射是光在界面上改变传播方向。干涉：两束频率相同，差异恒定(或主像相同)，或振动相同的光线相遇时产生的波重叠，成为明暗混合的条纹。衍射：光绕过障碍物继续传播的现象偏振：光在振动方向上强度变化的现象偏振：一个振动方向上的光，2，能量交换吸收电磁辐射被物质吸收，物质粒子处于高能量状态(发生)的过程称为辐射吸收。吸收电磁辐射后释放物质粒子处于此状态，以不稳定的光形式释放能量，返回低能量水平或

4、纪宁状态的过程称为辐射发射。辐射方法：辐射缓解词典和非辐射预辐射词典：向光发射能量的非辐射词典：向热发射能量的方法，2，分析方法简介：a brief introduction of optical analysis光谱：原子光谱：基于核外层电子的AAS；AES、AFS；分子光谱：基于分子的电子能级，振动-旋转能级转移；UV-Vis；IR；MFS；MPS；NMR；非光谱学：物质和辐射作用时，只改变传播方向等物理性质。偏振法、干涉仪、光学旋转法等；原子光谱简介an introduction to ATM OIC optical analysis，原子光谱概述：an introduction to

5、ATM OIC optical analysis 1，光学原子光谱基于电磁辐射和原子相互作用(外部电子)2原子发射原子荧光3，原子光谱的产生与原子结构有关。尤其与核外电子运动有关。，1，原子结构基本知识A，原子结构：卢瑟福的粒子散射壳结构核电子B，核外电子运动状态电子在核外决定“轨道”，吸收能量，从低轨道跳到最高轨道。主杨紫数N:角杨紫数L:磁杨紫数ml:旋转杨紫数ms说明：c，核电子能量状态：光谱项/光谱分支项主杨紫数N:轨道角度杨紫数L:总自旋杨紫数s:内杨紫数j说明：d，核外主量子数N是电子的主能量角度量子数n和L可以解释原子光谱生成问题。钠的双D线无法解释Na 588.996nm 58

6、9.593nm，核外电子能量表达方法光谱项目和光谱分支。光谱抗用主杨紫数n；总角度杨紫数l；总自旋杨紫数S描述原子能级的符号。光谱分支使用主杨紫数N。总角度杨紫数l；自旋杨紫总数s；内部杨紫数J描述了原子水平的符号：光谱分支项目原因：同一光谱项目内每个光谱分支项目的能量水平不同。没有外部磁场的时候，能量是简洁的。有外部磁场时，简和能量等级会分裂。塞曼效应：光谱线被外部磁场分裂的现象，钠原子可以产生两条非常接近的光谱线：3S 3P Na 588.996nm 589.593nm，(3)，能量水平图以图形形式表示原子可能存在的所有状态的光谱项目，即能量水平和能量水平转移，称为能量水平图23.每个能量

7、级之间的垂直距离表示跳跃时电磁辐射释放的能量大小。4.元素从基态到第一发生状态的转变最容易发生，所需能量最低，生成的光谱也最强。这种光谱称为第一共振线，也称为这种元素的特征补线。(4)，原子光谱类型：原子发生能量馈电时可以发射或吸收一定频率的电磁辐射的单独线性光谱原子光谱1。原子发射光谱分析方法以火焰、电弧、等离子体火等为光源，气体原子外层电子受到刺激，发射特性光谱，进行定量、定性分析方法。2 .原子吸收光谱法利用共振线测量相同元素的气体原子对气体原子价共振线吸收的定量分析方法。3.原子荧光分析(光致发光)气体原子吸收特性波长的辐射后，当外部电子从低能状态转移到高能状态时，发射与吸收波长相同或

8、不同的光辐射(荧光)，与光源成一定角度测量荧光强度，进行定量分析的方法。特征：3，光谱特征：1)，线谱(又称原子光谱):原子核外电子转移吸收特定频率的光，或从处于发生状态的原子发射特定频率的光。电磁辐射的频率由两个能量水平之间的能量差决定：(E1-E0)/H或HC/(E1-E0) 2)，波段光谱(又称分子光谱)分子是多元子，多电子系统。电子能级、振动和振动能级的量化、吸收或发射光谱由一系列非常接近的线光谱组成，仪器完全无法分辨，表示宽峰。3)，连续光谱：由于在热固体中聚集了无数原子和分子，因此包含一系列波长的光谱也称为黑体辐射。随着黑体温度，辐射能向短波方向移动。是重要的光源。第四，光学分析仪

9、器光学分析仪器通常由五部分组成：光源、样品容器、单色器、探测器、信号处理装置。光源：所需的光强度；稳定。光源类型：连续光源：提供特定波长范围的光源。示例钨灯可以发射3603000nm的光线光源。也就是说，可以发射的几种特定波长的光源。空心阴极灯和无极放电灯是常用的线光源。激光光源：原子或分子被辐射放大的光。具有亮度高、单色性强、方向性强、相关性好的特点。现在成为重要的光源。单色器作用：单色器是在连续光谱中获得所需单色光的设备。常用棱镜和光栅两种单色设备。原则：棱镜单色器由于折射率不同，光的辐射分布。结构：由入射狭缝、准镜、棱镜、水透镜和射隙组成。入射狭缝用于限制微光进入单色器，准镜将入射光束变

10、更为平行光束后进入棱镜。棱镜将复合光分解成单色光，然后通过水镜将分散元件发出的平行光集中在出口间隙。注射缝用于限制穿透皮带宽度。常用的Cornu，Littow，常用的棱镜是石英和玻璃。由于玻璃吸收紫外线，可见光区域石英对可见光有很强的旋光性，光栅单色器利用单狭缝衍射和多峰干涉作用获得单色光。多狭缝干涉确定各等级光谱吴宣仪的相对强度，单狭缝衍射确定光谱吴宣仪空间位置。光栅公式d(sinsinn是入射光和法线之间的角度，回射光和法线之间的角度)。在法线的同一侧取正数，在另一侧取负数。入射光的波长。d是相邻两条直线(称为光栅常数)之间的距离。n是光谱级别。n=0(例如1、2、3)不是光谱。也就是说，

11、没有分散作用。当复合光以一定角度照射光栅时，对于给定的光谱水平，衍射角度随着波长的增加而增大，从而产生色散作用。单色器性能指标可以通过三个指标表示色散率、分辨率、聚光能力： (角色色散和线色散率D是波长差D的两条光谱线从焦平面分离的距离dl对棱镜。特性：的线色散率随波长的增加而减小。非线性分布。，在实际操作中，逆线色散用于表示焦点面的每毫米距离内包含的波长数(单位NM/MM)。衍射角小的时候，它是常数，在相同的水平上简化了：的设计特性。在同一水平的光谱中，色散率基本上不随波长变化，是均匀的色散。分辨率瑞利准则：如果波长相似的两个光谱线中的一个光谱波长的最大值恰好低于另一个光谱波长的最小值，则认

12、为这两个光谱是可分辨的。棱镜处于最小偏转角度位置时，等腰棱镜的光栅光谱仪器的理论分辨率R=/=N n为光谱级，N为光栅压印总数。光栅单色器的分辨率比棱镜单色器大得多，聚光灯能力表示光谱光学系统传送辐射的能力。对于棱镜：集中能力与水镜的相对孔径平方(d/f)2成正比，而不考虑窄间隙的宽度。光栅的聚焦能力弱，因为n=0光谱的能量最大，但不会被极化。故障排除，常规光栅线路故障：沿波长的分布不均匀。不极化的零级光谱的能量最大。解决方法：闪光光栅和中间阶梯光栅集中在所需波长的光的能量称为“闪光光栅”。将常规光栅压印雕刻成一定的形状，并确保每个压印的小反射面与光栅平面成一定的角度。强化高光方向的光谱。辐射

13、能最大波长的闪光波长，光栅压印反射面和光栅平面之间的角度称为闪光角度。和中间楼梯光栅是雕刻线密度较低的平面反射光栅。类似于普通闪亮的平面光栅。区别在于光栅的每个阶梯的宽度是其高度的几倍。阶梯之间的距离是漫反射波长的10200倍，闪烁的角度，过滤器：干涉过滤器：通过光的干涉作用，可以得到非常窄的繁荣辐射带。与光栅单色设备一样，不能进行调整。简单，价格便宜。吸收过滤器：由有色玻璃或分散在明胶和玻璃板之间的染料组成，具有很高的热稳定性。光谱比较宽。样品容器：通常是玻璃或石英，应能由研究的光谱区域内发射的材料制成。吸收池窗口垂直于入射光，减少反射损失。对于红外光谱，使用无机盐的晶体有两种探测器。类：将

14、光信号转换为电信号检测。这称为光电探测器。另一个类是响应列的热检测器。1、光电探测器光电管道用光电管道接收和记录谱线的方法称为光电检测。光电倍增管是光电转换元件和电流放大元件，放大系数为105-108倍。其结构是CCD检测器CCD(Charge-Coupled Devices，中文译名为电荷耦合器)是一种新型固体多通道光学传感装置，目前在光谱分析的很多领域中使用。2，感温计热电偶是最常见的感温计。在另一个金属(如锑)的两端熔化两个金属铋，就有了两个连接点。两个接触点的电势随温度变化。可以检测10-6K的温度变化。热电探测器：热电探测器使用具有特殊热电特性的绝缘体。热电材料在电场中发生极化，极化

15、强度与温度有关。辐射引起温度变化，晶体电荷分布变化，测量电流，电流大小与晶体的表面积、极化度随温度变化的速度成正比。热电材料的温度上升到一定值，极化就会消失。这个温度叫居里点。辐射热探测器：原理：导体或半导体吸收辐射热后，温度变化导致电阻发生变化，从而产生输出信号。导体：温度升高，电阻增加半导体：温度升高，电阻降低。红外区域能量低，不能产生光电发射，在该光谱区域使用基于热辐射效果的热探测器。信号处理器和读出装置信号处理器是放大信号并进行初步运算的电子装置读出装置，是输出信号并以一定方式表示信号的可识别装置。常用数字表、记录器等光电检测输出采用模拟技术处理和显示。光子计数技术是检测弱光信号的新技

16、术，大大提高了弱光检测的灵敏度，一般优于1017W，这是其他检测方法无法比拟的，其他1、光纤纤维的特点：传输损耗小。在曲回性仪器分析中，光纤用作导线，达到仪器便宜、小型化。可控制信号的识别。光在光纤内传播需要时间，来自多个徐璐不同光源的信号可以徐璐通过不同的传播路径到达探测器，形成一定的时差，同时测量多个样品。来自同一光源的光信号可以徐璐通过不同的传播路径到达探测器，形成一定的时间差，同时测量多个因素，2，傅里叶变换光学测量是光学转换中的关键部件迈克尔森干涉仪。使用时间表示发射强度的时域频谱(以频率表示发射强度)的发射强度的频域频谱时域频谱(time domain):随时间变化的发射强度的函数关系频域频谱(frequen