第二章 光譜分析法導(dǎo)論

1、第二章第二章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)論22-1 2-1 電磁輻射的基本特征電磁輻射的基本特征 1 什么叫什么叫電磁波？電磁波？ 一種以巨大速度通過空間，不需要以任何物質(zhì)作為傳一種以巨大速度通過空間，不需要以任何物質(zhì)作為傳播媒介的能量形式，稱為播媒介的能量形式，稱為電磁波電磁波。在整個(gè)電磁輻射范圍內(nèi)，按波長(zhǎng)或頻率的大小順序排在整個(gè)電磁輻射范圍內(nèi)，按波長(zhǎng)或頻率的大小順序排列起來，即為列起來，即為電磁波譜電磁波譜 電磁波的二重性：波動(dòng)性和粒子性電磁波的二重性：波動(dòng)性和粒子性 第第2章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)論32 波動(dòng)性可用下面的波參數(shù)來描述波動(dòng)性可用下面的波參數(shù)來描述 周期周期T （s）

2、 頻率頻率 （s-1=Hz） =1/ T 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 厘米厘米 微米微米 納米納米 埃埃 cm m nm 10-2 m 10-6 m 10-9 m 10-10m 波數(shù)波數(shù) （cm-1） 稱為開瑟稱為開瑟(Kayser, K表示表示)=1/ 傳播速率傳播速率第第12章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)論 12-1 電磁輻射的基本特征電磁輻射的基本特征 4第第2章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)論 3 粒子性及普朗克關(guān)系式粒子性及普朗克關(guān)系式 粒子性粒子性 不連續(xù)的能量微粒不連續(xù)的能量微粒光子（光量子）光子（光量子） 能量能量 1 eV=1.602189210-19 J 或或 1J=6.2411018eV

3、 普朗克普朗克(Prank)關(guān)系式關(guān)系式 波動(dòng)性波動(dòng)性粒子性之間的粒子性之間的“橋橋” E = h = hc / 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) (6.62559 0.00015)10-34焦耳焦耳 秒秒(J s)5核躍遷磁場(chǎng)中自旋取向分子轉(zhuǎn)動(dòng)分子振動(dòng)共價(jià)電子躍遷內(nèi)層電子躍遷 -射線射線X 射線射線紫外紫外可可見見光光近近紅紅外外中紅中紅外外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外順磁共順磁共振振核核磁磁共共振振紅外波段微波波段射頻波段108107106105104103102101110-110-210-310-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11 101波數(shù)波數(shù)(cm-1)波長(zhǎng)波長(zhǎng)(m

4、)200 nm 800 nm第第2章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)論 4 電磁波譜及分析方法電磁波譜及分析方法電磁波譜區(qū)域電磁波譜區(qū)域近紫外近紫外 光譜分析法是光譜分析法是基于檢測(cè)能量基于檢測(cè)能量（電磁（電磁輻射）輻射）作用于待測(cè)物質(zhì)后產(chǎn)生的輻射信作用于待測(cè)物質(zhì)后產(chǎn)生的輻射信號(hào)或所引起的變化的分析方法。號(hào)或所引起的變化的分析方法。 這些電磁輻射包括從這些電磁輻射包括從 射線到無線電射線到無線電波的所有電磁波譜范圍。電磁輻射與物波的所有電磁波譜范圍。電磁輻射與物質(zhì)相互作用的方式有發(fā)射、吸收、反射、質(zhì)相互作用的方式有發(fā)射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。折射、散射、干涉、衍射、偏振等。

5、 第二節(jié)光學(xué)分析法分類 光譜分析法可分為光譜分析法可分為光譜法光譜法和和非非光譜法光譜法兩大類。兩大類。 光譜法是基于物質(zhì)與輻射能作光譜法是基于物質(zhì)與輻射能作用時(shí)，測(cè)量由用時(shí)，測(cè)量由物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級(jí)之間的躍遷的能級(jí)之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長(zhǎng)和強(qiáng)度進(jìn)行吸收或散射輻射的波長(zhǎng)和強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法。分析的方法。 光譜法可分為光譜法可分為原子光譜法原子光譜法和和分子分子光譜法光譜法。 原子光譜法是由原子光譜法是由原子外層或內(nèi)層原子外層或內(nèi)層電子電子能級(jí)的變化產(chǎn)生的，它的表現(xiàn)形能級(jí)的變化產(chǎn)生的，它的表現(xiàn)形式為式為線光譜線光譜。 屬于這類分析方法的有

6、屬于這類分析方法的有原子發(fā)射原子發(fā)射光譜法（光譜法（AESAES）、）、原子吸收光譜法原子吸收光譜法（AASAAS），），原子熒光光譜法（原子熒光光譜法（AFSAFS）以以及及X X射線熒光光譜法（射線熒光光譜法（XFSXFS）等。等。 分子光譜法是由分子光譜法是由 分子中電子能分子中電子能級(jí)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)級(jí)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí) 的變化產(chǎn)生的，的變化產(chǎn)生的，表現(xiàn)形式為表現(xiàn)形式為帶光譜帶光譜。 屬于這類分析方法的有紫外屬于這類分析方法的有紫外- -可可見分光光度法（見分光光度法（UV-VisUV-Vis），），紅外光紅外光譜法（譜法（IRIR），），分子熒光光譜法（分子熒光光譜法（MFSMFS）和

7、分子磷光光譜法（和分子磷光光譜法（MPSMPS）等。等。 非光譜法非光譜法是基于物質(zhì)與輻射相互作用是基于物質(zhì)與輻射相互作用時(shí)，測(cè)量輻射的某些性質(zhì)，如折射、散射、時(shí)，測(cè)量輻射的某些性質(zhì)，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等變化的分析方法。干涉、衍射、偏振等變化的分析方法。 非光譜法不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級(jí)的躍遷，非光譜法不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級(jí)的躍遷，電磁輻射只改變了傳播方向、速度或某些電磁輻射只改變了傳播方向、速度或某些物理性質(zhì)。物理性質(zhì)。 屬于這類分析方法的有折射法、偏振屬于這類分析方法的有折射法、偏振法、光散射法、干涉法、衍射法、旋光法法、光散射法、干涉法、衍射法、旋光法和圓二向色性法等。和圓二向色性法等

8、。 本章主要介紹光譜法。如本章主要介紹光譜法。如果按照電磁輻射和物質(zhì)相互作果按照電磁輻射和物質(zhì)相互作用的結(jié)果，可以產(chǎn)生發(fā)射、吸用的結(jié)果，可以產(chǎn)生發(fā)射、吸收和散射三種類型的光譜。收和散射三種類型的光譜。 物質(zhì)通過物質(zhì)通過電致激發(fā)、熱致激發(fā)或光電致激發(fā)、熱致激發(fā)或光致激發(fā)致激發(fā)等激發(fā)過程獲得能量，變?yōu)榧ぐl(fā)等激發(fā)過程獲得能量，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子或分子態(tài)原子或分子M M* * ，當(dāng)從激發(fā)態(tài)過渡到，當(dāng)從激發(fā)態(tài)過渡到低能態(tài)或基態(tài)時(shí)產(chǎn)生發(fā)射光譜。低能態(tài)或基態(tài)時(shí)產(chǎn)生發(fā)射光譜。 M M* * M + M + hvhv 根據(jù)發(fā)射光譜所在的光譜區(qū)和激發(fā)方根據(jù)發(fā)射光譜所在的光譜區(qū)和激發(fā)方法不同，發(fā)射光譜法分為：法不同，發(fā)

9、射光譜法分為：v1. 1. 射線光譜法射線光譜法 天然或人工放射性物質(zhì)的天然或人工放射性物質(zhì)的原子核在衰變?cè)雍嗽谒プ兊倪^程中發(fā)射的過程中發(fā)射 和和 粒子后，往往使自身的粒子后，往往使自身的核激發(fā)，然后該核通過發(fā)射核激發(fā)，然后該核通過發(fā)射 射線回到基射線回到基態(tài)。測(cè)量這種特征態(tài)。測(cè)量這種特征 射線的能量（或波射線的能量（或波長(zhǎng)），可以進(jìn)行定性分析，測(cè)量長(zhǎng)），可以進(jìn)行定性分析，測(cè)量 射線的射線的強(qiáng)度，可以進(jìn)行定量分析。強(qiáng)度，可以進(jìn)行定量分析。v2. 2. X X射線熒光分析法射線熒光分析法 原子受高能輻射激發(fā)，其原子受高能輻射激發(fā)，其內(nèi)層電子能內(nèi)層電子能級(jí)躍遷級(jí)躍遷，即發(fā)射出特征，即發(fā)射出特征X

10、 X射線，稱為射線，稱為X X射線射線熒光。用熒光。用X X射線管發(fā)生的一次射線管發(fā)生的一次X X射線來激發(fā)射線來激發(fā)X X射線熒光是最常用的方法。測(cè)量射線熒光是最常用的方法。測(cè)量X X射線的射線的能量（或波長(zhǎng)）可以進(jìn)行定性分析，測(cè)量能量（或波長(zhǎng)）可以進(jìn)行定性分析，測(cè)量其強(qiáng)度可以進(jìn)行定量分析。其強(qiáng)度可以進(jìn)行定量分析。v3. 3. 原子發(fā)射光譜分析法原子發(fā)射光譜分析法 用火焰、電弧、等離子炬等作為激用火焰、電弧、等離子炬等作為激發(fā)源，使氣態(tài)原子或離子的發(fā)源，使氣態(tài)原子或離子的外層電子外層電子 受激發(fā)發(fā)射特征光學(xué)光譜，利用這種光受激發(fā)發(fā)射特征光學(xué)光譜，利用這種光譜進(jìn)行分析的方法叫做原子發(fā)射光譜分譜

11、進(jìn)行分析的方法叫做原子發(fā)射光譜分析法。波長(zhǎng)范圍在析法。波長(zhǎng)范圍在190 - 900190 - 900nmnm，可用可用于定性和定量分析。于定性和定量分析。v4. 4. 原子熒光分析法原子熒光分析法 氣態(tài)自由原子吸收特征波長(zhǎng)的輻射后，氣態(tài)自由原子吸收特征波長(zhǎng)的輻射后，原子的外層電子原子的外層電子從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到較高從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到較高能態(tài)，約經(jīng)能態(tài)，約經(jīng)1010-8-8 s s，又躍遷至基態(tài)或低能態(tài)，又躍遷至基態(tài)或低能態(tài)，同時(shí)發(fā)射出與原激發(fā)波長(zhǎng)相同同時(shí)發(fā)射出與原激發(fā)波長(zhǎng)相同（共振熒光）（共振熒光）或不同的輻射或不同的輻射（非共振熒光）（非共振熒光），稱為原子熒，稱為原子熒光。光。F發(fā)射的

12、波長(zhǎng)在紫外和可見光區(qū)。在與激發(fā)光發(fā)射的波長(zhǎng)在紫外和可見光區(qū)。在與激發(fā)光源成一定角度（通常為源成一定角度（通常為9090 ）的方向測(cè)量熒光）的方向測(cè)量熒光的強(qiáng)度，可以進(jìn)行定量分析。的強(qiáng)度，可以進(jìn)行定量分析。v5. 5. 分子熒光分析法分子熒光分析法 某些物質(zhì)被紫外光照射后，某些物質(zhì)被紫外光照射后，物質(zhì)物質(zhì)分子分子吸收了輻射而成為激發(fā)態(tài)分子，吸收了輻射而成為激發(fā)態(tài)分子，然后回到基態(tài)的過程中發(fā)射出比入射然后回到基態(tài)的過程中發(fā)射出比入射波長(zhǎng)更長(zhǎng)的熒光。測(cè)量熒光的強(qiáng)度進(jìn)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的熒光。測(cè)量熒光的強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法稱為熒光分析法。波長(zhǎng)行分析的方法稱為熒光分析法。波長(zhǎng)在光學(xué)光譜區(qū)。在光學(xué)光譜區(qū)。v6. 6.

13、 分子磷光分析法分子磷光分析法 物質(zhì)吸收光能后，基態(tài)分子中的一個(gè)物質(zhì)吸收光能后，基態(tài)分子中的一個(gè)電子被激發(fā)躍遷至第一激發(fā)單重態(tài)軌道，電子被激發(fā)躍遷至第一激發(fā)單重態(tài)軌道，由第一激發(fā)單重態(tài)的最低能級(jí)，經(jīng)系統(tǒng)間由第一激發(fā)單重態(tài)的最低能級(jí)，經(jīng)系統(tǒng)間交叉躍遷至交叉躍遷至第一激發(fā)三重態(tài)（系間竄躍），第一激發(fā)三重態(tài)（系間竄躍），并經(jīng)過振動(dòng)弛豫至最低振動(dòng)能級(jí)，并經(jīng)過振動(dòng)弛豫至最低振動(dòng)能級(jí)，因此，因此，由此激發(fā)態(tài)躍遷回至基態(tài)時(shí)，便發(fā)射磷光。由此激發(fā)態(tài)躍遷回至基態(tài)時(shí)，便發(fā)射磷光。F 根據(jù)磷光強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法成為磷根據(jù)磷光強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法成為磷光分析法。它主要用于環(huán)境分析、藥物研光分析法。它主要用于環(huán)境分析、藥

14、物研究等方面的有機(jī)化合物的測(cè)定。究等方面的有機(jī)化合物的測(cè)定。v7. 7. 化學(xué)發(fā)光分析法化學(xué)發(fā)光分析法 由由化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng) 提供足夠的能量，使其中一提供足夠的能量，使其中一種反應(yīng)的分子的電子被激發(fā)，形成激發(fā)態(tài)分種反應(yīng)的分子的電子被激發(fā)，形成激發(fā)態(tài)分子。激發(fā)態(tài)分子躍回基態(tài)時(shí)，就發(fā)出一定波子。激發(fā)態(tài)分子躍回基態(tài)時(shí)，就發(fā)出一定波長(zhǎng)的光。其發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間變化，并可得到長(zhǎng)的光。其發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間變化，并可得到較強(qiáng)的發(fā)光（峰值）。較強(qiáng)的發(fā)光（峰值）。F 在合適的條件下，峰值與被分析物濃度在合適的條件下，峰值與被分析物濃度成線性關(guān)系，可用于定量分析。成線性關(guān)系，可用于定量分析。 由于化學(xué)發(fā)光反應(yīng)類型不同，發(fā)

15、射光譜由于化學(xué)發(fā)光反應(yīng)類型不同，發(fā)射光譜范圍為范圍為400 - 1400400 - 1400nmnm。 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(gè)能級(jí)間質(zhì)的原子核、原子或分子的兩個(gè)能級(jí)間躍遷所需的能量滿足躍遷所需的能量滿足E = E = hvhv的關(guān)系時(shí)，的關(guān)系時(shí)，將產(chǎn)生吸收光譜。將產(chǎn)生吸收光譜。 M + M + hvhv M M* * 吸收光譜法可分為：吸收光譜法可分為：v1. 1. MssbauerMssbauer（莫斯鮑爾）譜法莫斯鮑爾）譜法 由與被測(cè)元素相同的同位素作為由與被測(cè)元素相同的同位素作為 射線的發(fā)射源，使吸收體（樣品）原子射線的發(fā)

16、射源，使吸收體（樣品）原子核產(chǎn)生核產(chǎn)生 無反沖的無反沖的 射線共振吸收射線共振吸收 所形所形成的光譜。光譜波長(zhǎng)在成的光譜。光譜波長(zhǎng)在 射線區(qū)。射線區(qū)。 從從MssbauerMssbauer譜可獲得原子的氧化譜可獲得原子的氧化態(tài)和化學(xué)鍵、原子核周圍電子云分布或態(tài)和化學(xué)鍵、原子核周圍電子云分布或鄰近環(huán)境電荷分布的不對(duì)稱性以及原子鄰近環(huán)境電荷分布的不對(duì)稱性以及原子核處的有效磁場(chǎng)等信息。核處的有效磁場(chǎng)等信息。v2. 2. 紫外紫外- -可見分光光度法可見分光光度法 利用溶液中的分子或基團(tuán)在紫外和利用溶液中的分子或基團(tuán)在紫外和可見光區(qū)產(chǎn)生可見光區(qū)產(chǎn)生分子外層電子分子外層電子能級(jí)躍遷所能級(jí)躍遷所形成的吸收

17、光譜，可用于定性和定量測(cè)形成的吸收光譜，可用于定性和定量測(cè)定。定。v3.3.原子吸收光譜法原子吸收光譜法 利用待測(cè)元素利用待測(cè)元素氣態(tài)原子氣態(tài)原子對(duì)共振線的吸對(duì)共振線的吸收進(jìn)行定量測(cè)定的方法。其吸收機(jī)理是原收進(jìn)行定量測(cè)定的方法。其吸收機(jī)理是原子的外層電子能級(jí)躍遷，波長(zhǎng)在紫外、可子的外層電子能級(jí)躍遷，波長(zhǎng)在紫外、可見和近紅外區(qū)。見和近紅外區(qū)。v4. 4. 紅外光譜法紅外光譜法 利用分子在紅外區(qū)的振動(dòng)利用分子在紅外區(qū)的振動(dòng)- - 轉(zhuǎn)動(dòng)吸收轉(zhuǎn)動(dòng)吸收光譜來測(cè)定物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)。光譜來測(cè)定物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)。v5. 5. 核磁共振波譜法核磁共振波譜法 在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，核自旋磁矩與外磁核自旋

18、磁矩與外磁場(chǎng)相互作用分裂為能量不同的核磁能級(jí)場(chǎng)相互作用分裂為能量不同的核磁能級(jí)，核磁能級(jí)之間的躍遷吸收或發(fā)射射頻區(qū)的核磁能級(jí)之間的躍遷吸收或發(fā)射射頻區(qū)的電磁波。電磁波。 利用這種吸收光譜可進(jìn)行有機(jī)化合物利用這種吸收光譜可進(jìn)行有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的鑒定，以及分子的動(dòng)態(tài)效應(yīng)、氫鍵結(jié)構(gòu)的鑒定，以及分子的動(dòng)態(tài)效應(yīng)、氫鍵的形成、互變異構(gòu)反應(yīng)等化學(xué)研究。的形成、互變異構(gòu)反應(yīng)等化學(xué)研究。 頻率為頻率為 0 0的單色光照射到透明物質(zhì)上，物的單色光照射到透明物質(zhì)上，物質(zhì)分子會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。如果這種散射是光子質(zhì)分子會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。如果這種散射是光子與物質(zhì)分子發(fā)生能量交換的，即不僅光子的運(yùn)與物質(zhì)分子發(fā)生能量交換的，即不僅

19、光子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，它的能量也發(fā)生變化，則稱動(dòng)方向發(fā)生變化，它的能量也發(fā)生變化，則稱為為RamanRaman散射。散射。 這種散射光的頻率（這種散射光的頻率（mm）與入射光的頻與入射光的頻率不同，稱為率不同，稱為RamanRaman位移。位移。RamanRaman位移的大小與位移的大小與分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的能級(jí)有關(guān)分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的能級(jí)有關(guān)，利用，利用RamanRaman位位移研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法稱為移研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法稱為RamanRaman光譜法。光譜法。 第三節(jié)第三節(jié) 光譜法儀器光譜法儀器 用來研究吸收、發(fā)射或熒光的電磁輻用來研究吸收、發(fā)射或熒光的電磁輻射的強(qiáng)度和波長(zhǎng)的關(guān)系的儀器叫做光譜

20、儀射的強(qiáng)度和波長(zhǎng)的關(guān)系的儀器叫做光譜儀或分光光度計(jì)。這一類儀器一般包括五個(gè)或分光光度計(jì)。這一類儀器一般包括五個(gè)基本單元：基本單元：光源、單色器、樣品容器、檢光源、單色器、樣品容器、檢測(cè)器和讀出器件。測(cè)器和讀出器件。 發(fā)射光譜儀發(fā)射光譜儀光源光源樣品樣品單色器單色器檢測(cè)器檢測(cè)器讀出器件讀出器件 光源的作用是提供足夠的能量使試光源的作用是提供足夠的能量使試樣蒸發(fā)、原子化、激發(fā)，產(chǎn)生光譜。樣蒸發(fā)、原子化、激發(fā)，產(chǎn)生光譜。 ab吸收光譜儀吸收光譜儀光源光源單色器單色器樣品樣品檢測(cè)器檢測(cè)器讀出器件讀出器件原子化器原子化器單色器單色器光電倍增管光電倍增管樣品樣品空心陰極燈空心陰極燈讀出器件讀出器件 由光源

21、發(fā)射的待測(cè)元素的銳線光由光源發(fā)射的待測(cè)元素的銳線光束（共振線），通過原子化器，被原束（共振線），通過原子化器，被原子化器中的基態(tài)原子吸收，再射入單子化器中的基態(tài)原子吸收，再射入單色器中進(jìn)行分光后，被檢測(cè)器接收，色器中進(jìn)行分光后，被檢測(cè)器接收，即可測(cè)得其吸收信號(hào)。即可測(cè)得其吸收信號(hào)。熒光光譜儀熒光光譜儀光源光源第一單色器第一單色器樣品樣品第二單色器第二單色器檢測(cè)器檢測(cè)器記錄放大系統(tǒng)記錄放大系統(tǒng) 由光源發(fā)出的光，經(jīng)過第一單色器（激發(fā)由光源發(fā)出的光，經(jīng)過第一單色器（激發(fā)光單色器）后，得到所需的激發(fā)光。通過樣品光單色器）后，得到所需的激發(fā)光。通過樣品池，由于一部分光線被熒光物質(zhì)所吸收，熒光池，由于一部

22、分光線被熒光物質(zhì)所吸收，熒光物質(zhì)被激發(fā)后，將向四面八方發(fā)射熒光。物質(zhì)被激發(fā)后，將向四面八方發(fā)射熒光。 為了消除入射光和散射光的影響，為了消除入射光和散射光的影響，熒光的熒光的測(cè)量應(yīng)在與激發(fā)光成直角方向進(jìn)行測(cè)量應(yīng)在與激發(fā)光成直角方向進(jìn)行，第二單色，第二單色器為熒光單色器，主要是消除溶液中可能共存器為熒光單色器，主要是消除溶液中可能共存的其它光線的干擾，以獲得所需的熒光，熒光的其它光線的干擾，以獲得所需的熒光，熒光作用于檢測(cè)器上，得到相應(yīng)的電信號(hào)。作用于檢測(cè)器上，得到相應(yīng)的電信號(hào)。 光譜分析中，光譜分析中，光源必須具有足夠的光源必須具有足夠的輸出功率和穩(wěn)定性。輸出功率和穩(wěn)定性。由于光源輻射功率由于

23、光源輻射功率的波動(dòng)與電源功率的變化成指數(shù)關(guān)系，的波動(dòng)與電源功率的變化成指數(shù)關(guān)系，因此往往需用穩(wěn)壓電源以保證穩(wěn)定，或因此往往需用穩(wěn)壓電源以保證穩(wěn)定，或者用參比光束的方法來減少光源輸出對(duì)者用參比光束的方法來減少光源輸出對(duì)測(cè)定所產(chǎn)生的影響。測(cè)定所產(chǎn)生的影響。 光源有連續(xù)光源和線光源等。光源有連續(xù)光源和線光源等。 一般連續(xù)光源主要用于分子吸收一般連續(xù)光源主要用于分子吸收光譜法；線光源用于熒光、原子吸收光譜法；線光源用于熒光、原子吸收和和RamanRaman光譜法。光譜法。1. 1. 連續(xù)光源連續(xù)光源 連續(xù)光源是指在很大的波長(zhǎng)范圍連續(xù)光源是指在很大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)能發(fā)射強(qiáng)度平穩(wěn)的具有連續(xù)光譜的內(nèi)能發(fā)射強(qiáng)度平

24、穩(wěn)的具有連續(xù)光譜的光源。光源。（1 1）紫外光源）紫外光源 紫外連續(xù)光源主要采用氫燈或氘燈。紫外連續(xù)光源主要采用氫燈或氘燈。 它們?cè)谒鼈冊(cè)诘蛪海ǖ蛪海?1.31.3 10103 3PaPa）下以電激發(fā)的方式產(chǎn)生的連續(xù)下以電激發(fā)的方式產(chǎn)生的連續(xù)光譜范圍為光譜范圍為160 -375 nm。高壓氫燈以高壓氫燈以2000 - 60002000 - 6000V V的高壓使兩個(gè)鋁電極之間的高壓使兩個(gè)鋁電極之間發(fā)生放電。發(fā)生放電。 低壓氫燈是在有氧化物涂層的燈絲和金屬電極間低壓氫燈是在有氧化物涂層的燈絲和金屬電極間形成電弧，啟動(dòng)電壓約為形成電弧，啟動(dòng)電壓約為400400V V直流電壓，而維持直直流電壓，而維

25、持直流電弧的電壓為流電弧的電壓為4040V V。 （2 2）可見光源）可見光源 可見光區(qū)最常見的光源是可見光區(qū)最常見的光源是鎢絲燈鎢絲燈。在。在大多數(shù)儀器中，鎢絲的工作溫度約為大多數(shù)儀器中，鎢絲的工作溫度約為28702870K K，光譜波長(zhǎng)范圍為光譜波長(zhǎng)范圍為340 - 2500nm。 氙燈也可用作可見光源，當(dāng)電流通氙燈也可用作可見光源，當(dāng)電流通過氙燈時(shí)可以產(chǎn)生強(qiáng)輻射，它發(fā)射的連過氙燈時(shí)可以產(chǎn)生強(qiáng)輻射，它發(fā)射的連續(xù)光譜分布在續(xù)光譜分布在250 - 700nm。（3 3）紅外光源紅外光源 常用的紅外光源是一種用電加熱到常用的紅外光源是一種用電加熱到溫度在溫度在1500-20001500-2000

26、K K之間的惰性固體，之間的惰性固體， 光強(qiáng)最大的區(qū)域在光強(qiáng)最大的區(qū)域在6000- 50006000- 5000cmcm-1-1。常用的有常用的有奈斯特?zé)?、硅碳棒奈斯特?zé)?、硅碳棒?. 2. 線光源線光源（1 1）金屬蒸氣燈）金屬蒸氣燈 在透明封套內(nèi)含有低壓氣體元素，常見在透明封套內(nèi)含有低壓氣體元素，常見的是的是汞燈和鈉蒸氣燈汞燈和鈉蒸氣燈。 把電壓加到固定在封套上的一對(duì)電極上把電壓加到固定在封套上的一對(duì)電極上時(shí)，就會(huì)激發(fā)出元素的特征線光譜。時(shí)，就會(huì)激發(fā)出元素的特征線光譜。汞燈產(chǎn)汞燈產(chǎn)生的線光譜的波長(zhǎng)范圍為生的線光譜的波長(zhǎng)范圍為254- 734254- 734nmnm，鈉燈鈉燈主要是主要是58

27、9.0589.0nmnm和和589.6589.6nmnm處的一對(duì)譜線。處的一對(duì)譜線。（2 2）空極陰極燈）空極陰極燈 主要用于原子吸收光譜中，能提供許主要用于原子吸收光譜中，能提供許多元素的特征光譜。多元素的特征光譜。（3 3）激光）激光 激光的強(qiáng)度非常高，方向性和單色性激光的強(qiáng)度非常高，方向性和單色性好，它作為一種新型光源在好，它作為一種新型光源在RamanRaman光譜、光譜、熒光光譜、發(fā)射光譜、熒光光譜、發(fā)射光譜、fourierfourier變換紅外變換紅外光譜等領(lǐng)域極受重視。光譜等領(lǐng)域極受重視。常用的激光器有：常用的激光器有：主要波長(zhǎng)為主要波長(zhǎng)為693.4 nm 的紅寶石激光器的紅寶石

28、激光器主要波長(zhǎng)為主要波長(zhǎng)為632.8 nm的的He-Ne激光器激光器主要波長(zhǎng)為主要波長(zhǎng)為514.5nm、488.0nm的的ArAr離子離子器。器。 單色器的單色器的主要作用是將復(fù)合光分解成單主要作用是將復(fù)合光分解成單色光或有一定寬度的譜帶。色光或有一定寬度的譜帶。 單色器由單色器由入射狹縫入射狹縫和和出射狹縫出射狹縫、準(zhǔn)直準(zhǔn)直鏡鏡以及以及色散元件色散元件，如棱鏡或光柵等組成。，如棱鏡或光柵等組成。1. 1. 棱鏡棱鏡 棱鏡的作用是把復(fù)合光分解為單色光。這棱鏡的作用是把復(fù)合光分解為單色光。這是是由于不同波長(zhǎng)的光在同一介質(zhì)中具有不同的由于不同波長(zhǎng)的光在同一介質(zhì)中具有不同的折射率而形成的。折射率而形

29、成的。 常用的棱鏡有常用的棱鏡有CornuCornu（考紐）棱鏡，是頂考紐）棱鏡，是頂角角 為為6060 的棱鏡；的棱鏡； 為了防止生成雙像，為了防止生成雙像，LittrowLittrow （立特魯）立特魯）棱鏡是由棱鏡是由2 2個(gè)個(gè)3030 棱鏡組成，一邊為左旋石英，棱鏡組成，一邊為左旋石英，另一邊為右旋石英，左旋、右旋石英做成另一邊為右旋石英，左旋、右旋石英做成3030 棱鏡。棱鏡。 對(duì)于同一材料，光的折射率為其波長(zhǎng)的函對(duì)于同一材料，光的折射率為其波長(zhǎng)的函數(shù)。在可見及紫外光譜域，可用下式表示：數(shù)。在可見及紫外光譜域，可用下式表示： n n = A + B/ = A + B/ 2 2 + C

30、/ + C/ 4 4 式中式中n n為折射率，為折射率， 為波長(zhǎng)，為波長(zhǎng)，A A、B B、C C為常數(shù)。為常數(shù)。 由公式可見，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，折射率愈小。當(dāng)由公式可見，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，折射率愈小。當(dāng)包含有不同波長(zhǎng)的復(fù)合光通過棱鏡時(shí)，不同波包含有不同波長(zhǎng)的復(fù)合光通過棱鏡時(shí)，不同波長(zhǎng)的光就會(huì)因折射率不同而分開。這種作用稱長(zhǎng)的光就會(huì)因折射率不同而分開。這種作用稱為棱鏡的色散作用。為棱鏡的色散作用。2.2.光柵光柵 光柵分為光柵分為透射光柵和反射光柵透射光柵和反射光柵，常用，常用的是反射光柵。反射光柵又可分為平面反的是反射光柵。反射光柵又可分為平面反射光柵（或稱閃耀光柵）和凹面反射光柵。射光柵（或稱閃耀光柵）和凹

31、面反射光柵。 光柵由玻璃片或金屬片制成。光柵是光柵由玻璃片或金屬片制成。光柵是一種多狹縫部件，一種多狹縫部件，光柵光譜的產(chǎn)生是多狹光柵光譜的產(chǎn)生是多狹縫干涉和單狹縫衍射兩者聯(lián)合作用的結(jié)果縫干涉和單狹縫衍射兩者聯(lián)合作用的結(jié)果。 當(dāng)頻率相同、振動(dòng)方向相同、周相當(dāng)頻率相同、振動(dòng)方向相同、周相相等或周相差保持恒定的波源所發(fā)射的相等或周相差保持恒定的波源所發(fā)射的相干波互相疊加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)相干波互相疊加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。象。 若兩光波光程差為若兩光波光程差為 ，波長(zhǎng)為，波長(zhǎng)為 ，則當(dāng)光程差等于波長(zhǎng)則當(dāng)光程差等于波長(zhǎng) 的整數(shù)倍時(shí)，兩的整數(shù)倍時(shí)，兩波將互相加強(qiáng)到最大程度，即波將互相加強(qiáng)到最大程度

32、，即 = K （K = 0，1，2） 此時(shí)，兩光波在焦點(diǎn)上將相互加此時(shí)，兩光波在焦點(diǎn)上將相互加強(qiáng)形成明條紋。強(qiáng)形成明條紋。 相反，當(dāng)兩波的光程差等于半波相反，當(dāng)兩波的光程差等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，兩波將相互減弱到最長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，兩波將相互減弱到最大程度，即大程度，即 = （2 K+1） / 2 （ K = 0，1，2） 通過干涉現(xiàn)象，可以得到明暗相間的通過干涉現(xiàn)象，可以得到明暗相間的條紋。條紋。當(dāng)兩列波相互加強(qiáng)時(shí)可得到明亮的條紋；當(dāng)兩列波相互加強(qiáng)時(shí)可得到明亮的條紋；當(dāng)兩列波互相抵消時(shí)則得到暗條紋。當(dāng)兩列波互相抵消時(shí)則得到暗條紋。 這些明暗條紋稱為這些明暗條紋稱為干涉條紋。干涉條紋。 光波繞過障礙

33、物而彎曲地向它后面光波繞過障礙物而彎曲地向它后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象，稱為波的衍射現(xiàn)象。傳播的現(xiàn)象，稱為波的衍射現(xiàn)象。 若以平行光束通過狹縫若以平行光束通過狹縫ABAB，狹縫寬，狹縫寬度為度為a a，入射角為入射角為 角方向傳播，經(jīng)透鏡角方向傳播，經(jīng)透鏡聚焦后會(huì)聚于聚焦后會(huì)聚于P P點(diǎn)。點(diǎn)。PP P0 0a 單縫衍射單縫衍射AB 多縫干涉決定光譜出現(xiàn)的位置，單縫衍射多縫干涉決定光譜出現(xiàn)的位置，單縫衍射決定譜線的強(qiáng)度分布。下圖為平面反射光柵的決定譜線的強(qiáng)度分布。下圖為平面反射光柵的一段垂直于刻線的截面。一段垂直于刻線的截面。 衍射光束它的色散作用可用光柵公式表示它的色散作用可用光柵公式表示 d（sin +

34、 sin ）= K 公式中公式中 和和 分別為入射角和衍射分別為入射角和衍射角，整數(shù)角，整數(shù)n n為光譜級(jí)次，為光譜級(jí)次，d d為光柵常數(shù)。為光柵常數(shù)。若用若用a a表示每一狹縫的寬度，表示每一狹縫的寬度，c c表示兩條表示兩條狹縫之間的距離，則（狹縫之間的距離，則（a+ca+c）稱為光柵稱為光柵常數(shù)。常數(shù)。 角規(guī)定為正值；如果角規(guī)定為正值；如果 角角 和和 角在光柵法線同側(cè)，角在光柵法線同側(cè)， 取正值，異側(cè)取正值，異側(cè)則取負(fù)值。則取負(fù)值。當(dāng)當(dāng)K K=0=0時(shí)，即零級(jí)光譜，衍射角與波長(zhǎng)無時(shí)，即零級(jí)光譜，衍射角與波長(zhǎng)無關(guān)，也就是無分光作用。關(guān)，也就是無分光作用。當(dāng)當(dāng)K K不等于零時(shí)，衍射角或反射

35、角隨波長(zhǎng)不等于零時(shí)，衍射角或反射角隨波長(zhǎng)而異，而異，即不同波長(zhǎng)的輻射經(jīng)光柵反射后即不同波長(zhǎng)的輻射經(jīng)光柵反射后將分散在不同空間位置上，這就是光柵將分散在不同空間位置上，這就是光柵進(jìn)行分光的依據(jù)。進(jìn)行分光的依據(jù)。 光柵的光學(xué)特性：光柵的光學(xué)特性：光柵的特性可用光柵的特性可用色散色散率和分辨能力和閃耀特性率和分辨能力和閃耀特性來表示。來表示。 當(dāng)入射角當(dāng)入射角 不變時(shí)，光柵的角色散率不變時(shí)，光柵的角色散率可用光柵公式微分求得可用光柵公式微分求得 d /d =K / d cos 式中式中d d /d/d 為衍射角對(duì)波長(zhǎng)的變化為衍射角對(duì)波長(zhǎng)的變化率，也就是光柵的角色散率。當(dāng)率，也就是光柵的角色散率。當(dāng)

36、變化很變化很小時(shí)，可以認(rèn)為小時(shí)，可以認(rèn)為coscos =1=1。 d d /d/d = =K K/ d / d coscos 因此，光柵的角色散率只決定于因此，光柵的角色散率只決定于光柵常數(shù)光柵常數(shù)d d和光譜級(jí)次和光譜級(jí)次K K，可以認(rèn)可以認(rèn)為是為是常數(shù)，不隨波長(zhǎng)而變，這樣的光譜稱常數(shù)，不隨波長(zhǎng)而變，這樣的光譜稱為為“均排光譜均排光譜”，這是光柵優(yōu)于棱鏡，這是光柵優(yōu)于棱鏡的一方面。的一方面。 在實(shí)際工作中用線色散率在實(shí)際工作中用線色散率d dl l /d /d 表表示。對(duì)于平面光柵，線色散率為示。對(duì)于平面光柵，線色散率為 dl /d = d /d f = Kf / d cos 式中式中f f

37、 為會(huì)聚透鏡的焦距。由于為會(huì)聚透鏡的焦距。由于cos 1（ 6） 則則 dl /d = K f / d光柵的分辨能力光柵的分辨能力 光柵分辨率光柵分辨率R R為：為：R = /=KN N N為光柵的總刻線數(shù)。為光柵的總刻線數(shù)。 由此可見，分辨率與光譜級(jí)數(shù)和光由此可見，分辨率與光譜級(jí)數(shù)和光柵總刻線數(shù)成正比，與波長(zhǎng)無關(guān)。柵總刻線數(shù)成正比，與波長(zhǎng)無關(guān)。 在實(shí)際工作中，要想獲得高分辨在實(shí)際工作中，要想獲得高分辨率，最現(xiàn)實(shí)的辦法是采用大塊的光率，最現(xiàn)實(shí)的辦法是采用大塊的光柵，以增加總刻線數(shù)。目前，有些柵，以增加總刻線數(shù)。目前，有些光譜儀已有光譜儀已有254mm大光柵，起分辨大光柵，起分辨率可達(dá)率可達(dá)6

38、6 10105 5。閃耀光柵閃耀光柵 非閃耀光柵其能量分布與單縫衍射相似，非閃耀光柵其能量分布與單縫衍射相似，大部分能量集中在沒有被色散的大部分能量集中在沒有被色散的“零級(jí)光譜零級(jí)光譜”中，小部分能量分散在其它各級(jí)光譜。中，小部分能量分散在其它各級(jí)光譜。 零級(jí)光譜不起分光作用，不能用于光譜零級(jí)光譜不起分光作用，不能用于光譜分析。而色散越來越大的一級(jí)、二級(jí)光譜，分析。而色散越來越大的一級(jí)、二級(jí)光譜，強(qiáng)度卻越來越小。為了降低零級(jí)光譜的強(qiáng)度，強(qiáng)度卻越來越小。為了降低零級(jí)光譜的強(qiáng)度，將輻射能集中于所要求的波長(zhǎng)范圍，近代的將輻射能集中于所要求的波長(zhǎng)范圍，近代的光柵采用定向閃耀的辦法。光柵采用定向閃耀的辦

39、法。 即將光柵刻痕刻成一定的形狀，即將光柵刻痕刻成一定的形狀，使每一刻痕的小反射面與光柵平面成使每一刻痕的小反射面與光柵平面成一定的角度一定的角度，使衍射光強(qiáng)的最大從原使衍射光強(qiáng)的最大從原來與不分光的零級(jí)最大重合的方向，來與不分光的零級(jí)最大重合的方向，轉(zhuǎn)移至由刻痕形狀決定的反射方向。轉(zhuǎn)移至由刻痕形狀決定的反射方向。 結(jié)果使反射光方向光譜變強(qiáng)，這種現(xiàn)象結(jié)果使反射光方向光譜變強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱為閃耀。稱為閃耀。 輻射能量最大的波長(zhǎng)稱為輻射能量最大的波長(zhǎng)稱為閃耀波長(zhǎng)閃耀波長(zhǎng)。光。光柵刻痕反射面與光柵平面的夾角，稱為柵刻痕反射面與光柵平面的夾角，稱為閃耀閃耀角角。 每一個(gè)小反射面與光柵平面的夾每一個(gè)小反射

40、面與光柵平面的夾角角 i i 保持一定，以控制每一小反射面保持一定，以控制每一小反射面對(duì)光的反射方向，使光能集中在所需要對(duì)光的反射方向，使光能集中在所需要的一級(jí)光譜上，這種光柵稱為的一級(jí)光譜上，這種光柵稱為閃耀光柵閃耀光柵。 當(dāng)當(dāng) = =i 時(shí)，在衍射角時(shí)，在衍射角 的方向的方向上可得到最大的相對(duì)光強(qiáng)。上可得到最大的相對(duì)光強(qiáng)。 i i角稱為角稱為閃閃耀角耀角。兩種分光器的比較兩種分光器的比較分光原理不同，折射和衍射。分光原理不同，折射和衍射。棱鏡的波長(zhǎng)越短，偏向角越棱鏡的波長(zhǎng)越短，偏向角越 大，而光柵正好相反。大，而光柵正好相反。光柵的譜級(jí)重疊，有干擾，光柵的譜級(jí)重疊，有干擾，要考慮消除；而棱鏡不存在這種要考慮消除；而棱鏡不存在這種情況。情況。實(shí)例 對(duì)一塊寬度為對(duì)一塊寬度為5050