光學(xué)分析法引論

1、光學(xué)分析法引論 第1頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一光學(xué)分析方法： 利用光電轉(zhuǎn)換或其它電子器件測定“輻射與物質(zhì)相互作用”之后的輻射強(qiáng)度等光學(xué)特性，進(jìn)行物質(zhì)的定性和定量分析的方法。 歷史上，此相互作用只是局限于電磁輻射與物質(zhì)的作用，這也是目前應(yīng)用最為普遍的方法?，F(xiàn)在，光譜方法已擴(kuò)展到其它各種形式的能量與物質(zhì)的相互作用，如聲波、粒子束（離子和電子）等與物質(zhì)的作用。 第2頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一一、電磁輻射的性質(zhì)1. 光的波動性及粒子性 波動性 電磁輻射為正弦波，與其它波（如聲波）不同，電磁波不需傳播介質(zhì)，可在真空中傳輸。 波的傳播以及反射、衍

2、射、干涉、折射和散射 。第3頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一磁場M傳播方向電場E單光色平面偏振光的傳播一般情況下，僅用電場矢量表示電磁輻射就可以了。波動性第4頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一當(dāng)物質(zhì)發(fā)射電磁輻射或者電磁輻射被物質(zhì)吸收時，就會發(fā)生能量躍遷。此時，電磁輻射不僅具有波的特征，而且具有粒子性。光的粒子性第5頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一 能態(tài)（Energy state） 量子理論(Max Planck，1900)： 物質(zhì)粒子總是處于特定的不連續(xù)的能量狀態(tài)，即能量是量子化的；處于不同能量狀態(tài)粒子之間發(fā)生能量躍遷時的能

3、量差 E 可用 h 表示。 光的粒子性第6頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一光的粒子性兩個重要推論： 物質(zhì)粒子存在不連續(xù)的能態(tài)，各能態(tài)具有特定的能量。當(dāng)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化時，該粒子將吸收或發(fā)射完全等于兩個能級之間的能量差； 反之亦是成立的，即 E =E1-E0=h第7頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一電磁波用以下參數(shù)描述：（1）周期T 相鄰兩個波峰或波谷通過某一固定點(diǎn)所需要的時間間隔稱為周期，單位為s(秒)。（2）頻率 單位時間內(nèi)通過傳播方向上某一點(diǎn)的波峰或波谷數(shù)目，即單位時間內(nèi)電磁波振動的次數(shù)稱為頻率。單位：1/s（1/秒），赫（以Hz表示）。 1

4、/T第8頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一電磁波用以下參數(shù)描述：（3）波長相鄰兩個波峰或波谷的直線距離。第9頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一電磁波用以下參數(shù)描述：（3）波長 波長的單位：m(米)、cm（厘米）、m(微米)、nm(納米)、 (埃)。第10頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一電磁波用以下參數(shù)描述：（4）波數(shù) 每厘米長度內(nèi)含有的波長數(shù)目，即波長的倒數(shù)，單位為cm-1(厘米-1).第11頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一電磁波用以下參數(shù)描述：（5）光電子能量 E 電磁輻射不僅具有波的特征，而且具有粒

5、子性，即由光子（或稱光量子）組成，光子具有能量E. E與光波的頻率或波長的關(guān)系為：不同波長的光具有不同的能量，能量與波長成反比。E單位：焦（J）、爾格（erg）、電子伏特（eV）h 普朗克常數(shù)，h6.62610-34 Js；C為光速。第12頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一電磁波用以下參數(shù)描述：（5）光電子能量 E1爾格（erg）10-7焦(J) 1eV等于1個電子在電場中通過1V電位差時，所獲得的動能。1eV=1.610-12爾格1.6 10-19焦第13頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一電磁波用以下參數(shù)描述：波的性質(zhì)描述：（1）周期T（2）頻率

6、（3）波長（4）波數(shù)粒子性描述（5）光電子能量 E波動性及粒子性二者之間的關(guān)系普朗克方程不同波長的光具有不同的能量，能量與波長成反比。 第14頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一電磁波用以下參數(shù)描述：例題：波長為200nm的電磁波，其能量是多少電子伏特（eV）？解：第15頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一一、電磁輻射的性質(zhì)2. 電磁波譜電磁輻射按其波長順序排列起來稱為電磁波譜。在不同的波譜區(qū)域具有不同的輻射類型，它們與物質(zhì)作用的形式也不相同。由此建立了各種光譜（光化學(xué)）分析法。 300mm近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外微波無線電波第16頁，共28頁，2022年，5

7、月20日，3點(diǎn)49分，星期一波譜區(qū)域波長范圍（nm）光子能量（eV）能級躍遷類型光譜（光學(xué)）分析方法-射線 2.5105核能級-射線發(fā)射光譜、穆斯堡爾譜X-射線 0.00510 nm2.51051.2102內(nèi)層電子能級X-射線吸收、發(fā)射光譜遠(yuǎn)紫外 10200 nm1.21026.2外層電子能級真空紫外吸收光譜近紫外 200400 nm6.23.1外層電子能級紫外可見（吸收、發(fā)射）光譜、熒光光譜可見光 400800 nm3.11.6外層電子能級紅外 0.81000m 1.61.2103分子振動-轉(zhuǎn)動能級紅外吸收光譜、拉曼光譜微波 1300mm1.21034.1106分子轉(zhuǎn)動能級、電子自旋能級微波

8、吸收波譜、順磁共振波譜、電子自旋共振波譜無線電波 300mm4.110-6核自旋能級核磁共振波譜第17頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一二、光與物質(zhì)的作用電磁波通過某一介質(zhì)時，可發(fā)生：吸收發(fā)射散射折射和反射干涉和衍射 第18頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一二、光與物質(zhì)的作用拉曼（Raman）散射 頻率為 0 的單色光照射透明物質(zhì)，物質(zhì)分子會發(fā)生散射現(xiàn)象。如果這種散射是光子與物質(zhì)分子發(fā)生能量交換引起，即不僅光子的運(yùn)動方向發(fā)生變化，它的能量也發(fā)生變化，則稱為Raman散射。這種散射光的頻率（m）與入射光的頻率不同，稱為Raman位移。Raman位移的大

9、小與分子的振動和轉(zhuǎn)動的能級有關(guān)，利用Raman位移研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法稱為Raman光譜法。第19頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一三、光學(xué)分析法的分類1.非光譜法 非光譜法是基于物質(zhì)與輻射相互作用時，測量輻射的某些性質(zhì)，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等變化的分析方法。2.光譜法是基于物質(zhì)與輻射能作用時，測量由物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長和強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法。 光譜法可分為原子光譜法和分子光譜法。第20頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一2.光譜法原子光譜法是由原子外層或內(nèi)層電子 能級的變化產(chǎn)生的，它的表現(xiàn)形式為線

10、光譜。屬于這類分析方法的有原子發(fā)射光譜法（AES）、原子吸收光譜法（AAS），原子熒光光譜法（AFS）以及X射線熒光光譜法（XFS）等。第21頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一2.光譜法分子光譜法是由 分子中電子能級、振動和轉(zhuǎn)動能級 的變化產(chǎn)生的，表現(xiàn)形式為帶光譜。屬于這類分析方法的有紫外-可見分光光度法（UV-Vis），紅外光譜法（IR），分子熒光光譜法（MFS）和分子磷光光譜法（MPS）等。第22頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一三、光學(xué)分析法的分類 2.光譜法吸收光譜法發(fā)射光譜法 第23頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一吸

11、收光譜法 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。 M + hv M*第24頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一吸收光譜法紫外-可見分光光度法原子吸收光譜法紅外光譜法核磁共振波譜法電子自旋共振波譜法Mssbauer（莫斯鮑爾）譜法第25頁，共28頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)49分，星期一發(fā)射光譜法物質(zhì)通過電致激發(fā)、熱致激發(fā)或光致激發(fā)等激發(fā)過程獲得能量，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子或分子M* ，當(dāng)從激發(fā)態(tài)過渡到低能態(tài)或基態(tài)時產(chǎn)生發(fā)射光譜。 M* M + hv 通過測量物質(zhì)的發(fā)射光譜的波長和強(qiáng)度進(jìn)行定性和定量分析的方法叫做發(fā)射光譜分析法。第26頁，共28