光譜分析法引論課件

1、光譜分析法引論課件 第二章第二章 光譜分析法引論光譜分析法引論 2.2 電電 磁磁 輻輻 射射 2.3 光光 與與 物物 質(zhì)質(zhì) 相相 互互 作作 用用 2.5 光光 譜譜 分分 析析 儀儀 器器 2.1 概概 述述 2.4 光光 學(xué)學(xué) 分分 析析 法法 分分 類類 光譜分析法引論課件 物質(zhì)分為兩大類物質(zhì)分為兩大類 無質(zhì)量的客觀存在，象電場，無質(zhì)量的客觀存在，象電場， 磁場，以及由電場和磁場組成磁場，以及由電場和磁場組成 的電磁波。的電磁波。 實物實物 場場 有實際質(zhì)量的物體，包括天體，有實際質(zhì)量的物體，包括天體， 地球，各種物品，也包括需借助地球，各種物品，也包括需借助 于儀器才能看的見的微觀

2、物體，于儀器才能看的見的微觀物體， 電子，原子，中子等。電子，原子，中子等。 2.1 概概 述述 光譜分析法引論課件 1. 1. 由電場和磁場組成由電場和磁場組成 2. 2. 電場和磁場相互垂直且垂直于其電場和磁場相互垂直且垂直于其 傳播方向傳播方向 3. 3. 傳播速度在真空中為光速傳播速度在真空中為光速 2.2 .1 基本了解基本了解 2.2 電電 磁磁 輻輻 射射 光譜分析法引論課件 2.2.2 基本性質(zhì)基本性質(zhì) 電磁波的波粒二象性電磁波的波粒二象性 (1) c真空中光速真空中光速 2.99792458108m/s 3.0 108m/s 波長，單位：波長，單位：m,cm,mm, m,nm

3、, 1 m=10-6m, 1nm=10-9m, 1=10-10m 頻率，單位：赫芝（周）頻率，單位：赫芝（周）Hz 次次/秒秒 n折射率，真空中為折射率，真空中為1 = c V n 光的傳播速度光的傳播速度: 波動性波動性 光譜分析法引論課件 電磁波的波粒二象性電磁波的波粒二象性 (2)(2) h普朗克普朗克( (Planck) )常數(shù)常數(shù) 6.62610-34Js 頻率頻率 E光量子具有的能量光量子具有的能量 單位：單位：J(焦耳焦耳)，eV(電子伏特電子伏特) 1eV=1.60210 19J 微粒性微粒性 光量子，具有能量。光量子，具有能量。 Eh 光譜分析法引論課件 電磁波的波粒二象性電

4、磁波的波粒二象性 (3) 結(jié)論結(jié)論: :一定波長的光具有一定的能量，波長越長一定波長的光具有一定的能量，波長越長( (頻率越頻率越 低低) )，光量子的能量越低。，光量子的能量越低。 單色光：單色光：具有相同能量具有相同能量( (相同波長相同波長) )的光。的光。 混合光：混合光：具有不同能量具有不同能量( (不同波長不同波長) )的光復(fù)合在一起。例的光復(fù)合在一起。例 如如, ,白光。白光。 hhh = cV E n 波粒二象性波粒二象性 真空中真空中: : c Eh 光譜分析法引論課件 2.2 .3 電磁波譜電磁波譜 光譜分析法引論課件 400nm 780nm 紫外光區(qū)紫外光區(qū) 10nm 射

5、線射線 射線射線 0.01nm 0.0005nm 紅外光區(qū)紅外光區(qū)300um 微波微波 無線電波無線電波 30m 核能級躍遷核能級躍遷 內(nèi)層電子能級躍遷內(nèi)層電子能級躍遷 原子和分子原子和分子 外層電子外層電子 能級躍遷能級躍遷 分子振動、轉(zhuǎn)分子振動、轉(zhuǎn) 動能級躍遷動能級躍遷 分子轉(zhuǎn)動能級躍遷分子轉(zhuǎn)動能級躍遷 核自旋磁能級躍遷核自旋磁能級躍遷 光譜分析法引論課件 核能級躍遷核能級躍遷 射線射線 內(nèi)層電子躍遷內(nèi)層電子躍遷 射線射線 能譜能譜 遠紫外遠紫外 原子原子 近紫外近紫外 分子分子 紫紫 400nm 外層外層 藍藍 電子電子 青青 躍遷躍遷 綠綠 可見光可見光 光學(xué)區(qū)光學(xué)區(qū) 電磁波譜電磁波譜

6、 黃黃 （光學(xué)（光學(xué) 橙橙 光譜）光譜） 紅紅 780nm 分子振動分子振動 近紅外近紅外 分子振動分子振動 中紅外中紅外 分子轉(zhuǎn)動分子轉(zhuǎn)動 遠紅外遠紅外 分子轉(zhuǎn)動分子轉(zhuǎn)動 微波微波 波譜波譜 核自旋核自旋 無線電波無線電波 光譜分析法引論課件 躍遷躍遷 基態(tài)基態(tài) 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài) （E基態(tài) 基態(tài)） ） “碰撞碰撞” (E激發(fā) 激發(fā)） ） E=h=hc/=E激發(fā) 激發(fā)-E基態(tài)基態(tài) 2.3 2.3 光與物質(zhì)相互作用光與物質(zhì)相互作用 2.3.1光能夠被物質(zhì)吸收和發(fā)射光能夠被物質(zhì)吸收和發(fā)射 光譜分析法引論課件 Cu Cu 2.3.1光能夠被物質(zhì)吸收光能夠被物質(zhì)吸收 光譜分析法引論課件 通過透明介質(zhì)時通過

7、透明介質(zhì)時 光的透射光的透射； 通過不均勻介質(zhì)時通過不均勻介質(zhì)時 光的散射光的散射； 從一種透明介質(zhì)進入另一種透明介質(zhì)從一種透明介質(zhì)進入另一種透明介質(zhì)光的折射光的折射 2.3.2光不能夠被物質(zhì)吸收光不能夠被物質(zhì)吸收 光譜分析法引論課件 2.4.1 光譜產(chǎn)生的原理光譜產(chǎn)生的原理 E0=0 E1=23 躍 遷 基基 態(tài)態(tài) 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài) 只有當(dāng)光子的能量等于只有當(dāng)光子的能量等于E時才能被吸收時才能被吸收 即即 E 光子 光子= E E =h c / 光譜分析法引論課件 分子能級 分子沿某一軸轉(zhuǎn)動分子沿某一軸轉(zhuǎn)動 化學(xué)鍵振動化學(xué)鍵振動 形成化學(xué)鍵的電子云形狀變化形成化學(xué)鍵的電子云形狀變化 對應(yīng)有三種能

8、級對應(yīng)有三種能級 轉(zhuǎn)動能級轉(zhuǎn)動能級(Rotation energy level)(Rotation energy level) 振動能級振動能級(Vibration energy level)(Vibration energy level) 電子能級電子能級(Electron energy level)(Electron energy level) （以分子結(jié)構(gòu)為例說明）（以分子結(jié)構(gòu)為例說明） 光譜分析法引論課件 電子能級電子能級 振動能級振動能級 轉(zhuǎn)動能級轉(zhuǎn)動能級 光譜分析法引論課件 分子光譜分子光譜 分子吸收光譜分子吸收光譜 v分子轉(zhuǎn)動能級躍遷產(chǎn)生的光譜為轉(zhuǎn)動光譜分子轉(zhuǎn)動能級躍遷產(chǎn)生的光譜

9、為轉(zhuǎn)動光譜所需能所需能 量最小量最小 0.05 ev，微波或遠紅外照射，微波或遠紅外照射 v分子振動能級躍遷產(chǎn)生的光譜為轉(zhuǎn)動光譜，又叫分子振動能級躍遷產(chǎn)生的光譜為轉(zhuǎn)動光譜，又叫紅外紅外 吸收光譜吸收光譜*所需能量所需能量 0.051 ev，用紅外光照，用紅外光照 射。射。振振-轉(zhuǎn)光譜。轉(zhuǎn)光譜。 v電子能級躍遷產(chǎn)生的光譜為電子光譜，又叫電子能級躍遷產(chǎn)生的光譜為電子光譜，又叫紫外可見紫外可見 吸收光譜吸收光譜*所需能量所需能量 120 ev，用紫外、可見光照，用紫外、可見光照 射。射。電電-振振-轉(zhuǎn)光譜。轉(zhuǎn)光譜。 光譜分析法引論課件 Ee=1ev20ev 0.06ume1.25um 紫外可見光區(qū)紫

10、外可見光區(qū) E轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)= 0.005ev0.05ev 24.8um轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)248um 遠 遠 紅紅 外外 區(qū)區(qū) E振振=0.05ev1ev 1.25um振 振25um 紅 紅 外外 光光 區(qū)區(qū) 光譜分析法引論課件 光譜種類光譜種類 原子光譜：吸收、發(fā)射、熒光原子光譜：吸收、發(fā)射、熒光 線狀光譜線狀光譜 黑體輻射：白熾燈、液、固灼熱發(fā)光黑體輻射：白熾燈、液、固灼熱發(fā)光 連續(xù)光譜連續(xù)光譜 分子光譜：紫外、可見、紅外等吸收光譜分子光譜：紫外、可見、紅外等吸收光譜 帶狀光譜帶狀光譜 I 光譜分析法引論課件 光學(xué)分析法光學(xué)分析法 光譜法光譜法 分子光譜法分子光譜法 UV/Vis,IR,MFS,MPS 非光譜法

11、非光譜法 （折射法，濁度法，旋光法）（折射法，濁度法，旋光法） 原子光譜法原子光譜法 AAS,AES, AFS （不以光的波長為特征訊號，通過測量電磁（不以光的波長為特征訊號，通過測量電磁 輻射的某些基本性質(zhì)的變化的分析方法。）輻射的某些基本性質(zhì)的變化的分析方法。） （以光的吸收、發(fā)射等作用而建立的分析方法，（以光的吸收、發(fā)射等作用而建立的分析方法， 通過檢測光譜的波長和強度來進行定性和定量通過檢測光譜的波長和強度來進行定性和定量 的方法。）的方法。） 2.4 光學(xué)分析法分類光學(xué)分析法分類 光學(xué)分析法光學(xué)分析法: :以能量作用于被測物質(zhì)后，檢測其產(chǎn)生以能量作用于被測物質(zhì)后，檢測其產(chǎn)生 的輻射信

12、號或輻射性質(zhì)所引起的變化的分析方法。的輻射信號或輻射性質(zhì)所引起的變化的分析方法。 光譜分析法引論課件 紫外紫外-可見分光光度法（可見分光光度法（UV-Vis） 紅外光譜法（紅外光譜法（IR） 分子熒光光譜法（分子熒光光譜法（MFS） 分子磷光光譜法（分子磷光光譜法（MPS）等）等 本章主要介紹光譜法本章主要介紹光譜法 光譜法光譜法 （基于產(chǎn)生光（基于產(chǎn)生光 譜的物質(zhì)基礎(chǔ)）譜的物質(zhì)基礎(chǔ)） 原子原子 光譜法光譜法: : 分子分子 光譜法光譜法: : 原子發(fā)射光譜法（原子發(fā)射光譜法（AES） 原子吸收光譜法（原子吸收光譜法（AAS） 原子熒光光譜法（原子熒光光譜法（AFS） X射線熒光光譜法（射線熒

13、光光譜法（XFS）等）等 由由原子外層或內(nèi)層電子原子外層或內(nèi)層電子 能級的變能級的變 化產(chǎn)生的，表現(xiàn)形式為化產(chǎn)生的，表現(xiàn)形式為線光譜線光譜。 由由 分子中電子能級、振動和轉(zhuǎn)動能分子中電子能級、振動和轉(zhuǎn)動能 級級的變化產(chǎn)生，表現(xiàn)形式為的變化產(chǎn)生，表現(xiàn)形式為帶光譜帶光譜。 光譜分析法引論課件 光譜法光譜法 （基于產(chǎn)生光（基于產(chǎn)生光 譜的方式不同）譜的方式不同） 發(fā)射光譜法發(fā)射光譜法: 吸收光譜法：吸收光譜法： 物質(zhì)通過電、熱或光致激發(fā)等激發(fā)物質(zhì)通過電、熱或光致激發(fā)等激發(fā) 過程獲得能量，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子或過程獲得能量，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子或 分子分子M* ，當(dāng)從激發(fā)態(tài)過渡到低能態(tài)，當(dāng)從激發(fā)態(tài)過渡到低能態(tài) 或

14、基態(tài)時產(chǎn)生發(fā)射光譜。或基態(tài)時產(chǎn)生發(fā)射光譜。 當(dāng)物質(zhì)所吸收的電磁輻射能與該物當(dāng)物質(zhì)所吸收的電磁輻射能與該物 質(zhì)的原子核、原子或分子的兩個能質(zhì)的原子核、原子或分子的兩個能 級間躍遷所需的能量滿足級間躍遷所需的能量滿足E = hv 的關(guān)系時，將產(chǎn)生吸收光譜。的關(guān)系時，將產(chǎn)生吸收光譜。 光譜分析法引論課件 光譜儀（或分光光度計）一般包括五光譜儀（或分光光度計）一般包括五 個基本單元個基本單元：光源、單色器、樣品容器、光源、單色器、樣品容器、 檢測器和讀出器件檢測器和讀出器件。 光源光源單色器單色器樣品池樣品池檢測器檢測器讀出器件讀出器件 2.5 光譜分析儀器光譜分析儀器 光譜分析法引論課件 光源光源

15、提供能量，使樣品產(chǎn)生光譜。提供能量，使樣品產(chǎn)生光譜。 （1）紫外光源）紫外光源 主要采用氫燈和或氘燈。主要采用氫燈和或氘燈。 光譜范圍為光譜范圍為160375 nm。 （2）可見光源）可見光源 可見光區(qū)最常見的光源是鎢絲燈。可見光區(qū)最常見的光源是鎢絲燈。 光譜波長范圍為光譜波長范圍為320 2500nm。 （3）紅外光源）紅外光源 用電加熱到溫度在用電加熱到溫度在1500 2000K之間的惰性固體之間的惰性固體 （硅碳棒），光強最大的區(qū)域在（硅碳棒），光強最大的區(qū)域在6000 5000cm-1 光譜分析法引論課件 單色器的主要作用是將復(fù)合光分解成單色光或有一單色器的主要作用是將復(fù)合光分解成單色

16、光或有一 定寬度的譜帶。單色器由入射狹縫和出射狹縫、準(zhǔn)定寬度的譜帶。單色器由入射狹縫和出射狹縫、準(zhǔn) 直鏡以及色散元件，如棱鏡或光柵等組成。直鏡以及色散元件，如棱鏡或光柵等組成。 單色器單色器 光譜分析法引論課件 分光元件（分光元件（1 1） 棱鏡：棱鏡：依據(jù)不同波長光通過棱鏡時有不同的依據(jù)不同波長光通過棱鏡時有不同的 折射率而將不同波長的光分開。折射率而將不同波長的光分開。 玻璃：玻璃：3503200nm 石英：石英：1854000nm 單色單色器器 入射狹縫入射狹縫 準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直透鏡 棱鏡棱鏡聚焦透鏡聚焦透鏡出射狹縫出射狹縫 白光白光 紅紅 紫紫 1 1 2 2 光譜分析法引論課件 光柵：光

17、柵：在在刻有數(shù)量很大刻有數(shù)量很大 的等寬等間距條痕。的等寬等間距條痕。 平面透射光柵平面透射光柵 反射光柵（廣泛使用）反射光柵（廣泛使用） 原理：利用光通過光柵時發(fā)生原理：利用光通過光柵時發(fā)生現(xiàn)象而分光?，F(xiàn)象而分光。 分光元件（分光元件（2 2） 反射光柵反射光柵：紫外、可見：紫外、可見： 600、1200、2400條條/mm 紅外紅外 2030條條/mm 光譜分析法引論課件 IRIS Advantage 中階梯光柵分光系統(tǒng)（實物圖）中階梯光柵分光系統(tǒng)（實物圖） 光譜分析法引論課件 樣品池樣品池 在紫外光區(qū)工作時，采用在紫外光區(qū)工作時，采用石英石英材料；材料； 可見光區(qū)，則用可見光區(qū)，則用硅酸

18、鹽玻璃硅酸鹽玻璃； 紅外光區(qū)，則可根據(jù)不同的波長范圍選紅外光區(qū)，則可根據(jù)不同的波長范圍選 用不同材料的用不同材料的晶體制成吸收池的窗口晶體制成吸收池的窗口。 一般由光透明的材料制成。一般由光透明的材料制成。 光譜分析法引論課件 光信號轉(zhuǎn)換成電信號光信號轉(zhuǎn)換成電信號 檢測器檢測器 光電轉(zhuǎn)換器光電轉(zhuǎn)換器 光譜分析法引論課件 硒光電池（硒光電池（Barrier-layer photocell） 適用于適用于300-800 nm, 在在500-600 nm范圍最靈敏。范圍最靈敏。 Se 陰極陰極Au，Ag 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 h 陽極陽極 光譜分析法引論課件 光電管光電管(phototube)(phototube) h （片）（片） 紅敏管紅敏管 625-1000 nm 藍敏管藍敏管 200-625 nm 光譜