光譜分析法導(dǎo)論課件

光譜分析法引論Anintroductiontoopticalanalysis

InstrumentalAnalysis

Chapter2.12/21/20221光譜分析法引論InstrumentalAna第一節(jié)光分析法及其特點(diǎn)第二節(jié)電磁輻射的基本性質(zhì)第三節(jié)光分析法分類（重點(diǎn)）第四節(jié)光譜法儀器（重點(diǎn)）內(nèi)容.12/21/20222第一節(jié)光分析法及其特點(diǎn)內(nèi)容.12/13/20222

一、定義不同形式電磁輻射與物質(zhì)間相互作用而建立起來的分析方法。光分析法在研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)表征、表面分析等方面具有其他方法不可取代的地位。電磁輻射范圍：γ射線～無線電波；相互作用方式：發(fā)射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；第一節(jié)光分析法及其特點(diǎn).12/21/20223一、定義光分析法在研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)表征、表面分析等方面具

二、基本特點(diǎn)（1）均包含三個基本過程：能源提供能量；能量與被測物之間的相互作用；產(chǎn)生信號。（2）選擇性測量，不涉及混合物分離（不同于色譜分析）。（3）涉及大量光學(xué)元器件。第一節(jié)光分析法及其特點(diǎn).12/21/20224二、基本特點(diǎn)第一節(jié)光分析法及其特點(diǎn).12/13/2022第二節(jié)電磁輻射的基本性質(zhì)電磁輻射（電磁波）：以接近光速傳播的能量。波動性：c=λν=ν/σ反射、折射、散射、干涉、衍射微粒性：光電效應(yīng)康普敦效應(yīng)黑體輻射普朗克(Planch)公式

E=hν=hc/λ

σ/cm-1

=1/(λ/cm)

=104/(λ/μm)

E--光子的能量J,焦耳υ

---光子的頻率Hz,赫茲---光子的波長cmC---光速2.99791010cm.s-1h---Planch常數(shù)6.625610-34J.s焦耳.秒一.電磁輻射的波粒二象性.12/21/20225第二節(jié)電磁輻射的基本性質(zhì)電磁輻射（電磁波）：以接近光速傳播二.電磁輻射與物質(zhì)的相互作用及其光譜1.物質(zhì)的能態(tài)2.電磁輻射的吸收與發(fā)射原子、離子、分子A.原子光譜線光譜LinespectraE2E0E1E3hi波長半寬度10-2~10-5Na5890、5896原子吸收光譜原子發(fā)射光譜.12/21/20226二.電磁輻射與物質(zhì)的相互作用及其光譜1.物質(zhì)的能態(tài)2.電磁輻B.分子光譜帶光譜Bandspectra有機(jī)、無機(jī)分子E2E1E0半寬度20~100nm分子吸收光譜分子發(fā)射光譜hi波長/nmA(T)波長/nmI半寬度20~100nm.12/21/20227B.分子光譜帶光譜BandspectraC.熒光發(fā)射光致發(fā)光h原子熒光----線光譜

分子熒光----帶光譜

E2E0E1E3hiE2E1E0hihi.12/21/20228C.熒光發(fā)射光致發(fā)光h原子熒光----線光譜分三.電磁波譜.12/21/20229三.電磁波譜.12/13/20229第三節(jié)光分析法的分類基于物質(zhì)與輻射能作用時，物質(zhì)發(fā)生能級躍遷，測量由此而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長和強(qiáng)度?；谖镔|(zhì)與輻射相互作用時，測量輻射的某些性質(zhì)的變化的分析方法.原子外層或內(nèi)層電子能級的變化產(chǎn)生的，其形式為線光譜。原子光譜

分子光譜由分子中電子能級、振動和轉(zhuǎn)動能級的變化產(chǎn)生的，其形式為帶光譜。光譜法光譜法非光譜法.12/21/202210第三節(jié)光分析法的分類基于物質(zhì)與輻射能作用時，物質(zhì)發(fā)生能級躍原子光譜圖分子光譜圖.12/21/202211原子光譜圖分子光譜圖.12/13/202211光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原子吸收光譜原子發(fā)射光譜原子熒光光譜X射線熒光光譜折射法圓二色性法X射線衍射法干涉法旋光法紫外光譜法紅外光譜法分子熒光光譜法分子磷光光譜法核磁共振波譜法.12/21/202212光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原光譜分析法吸收光譜法發(fā)射光譜法原子光譜法分子光譜法原子發(fā)射原子吸收原子熒光X射線熒光原子吸收紫外可見紅外可見核磁共振紫外可見紅外可見分子熒光分子磷光核磁共振化學(xué)發(fā)光原子發(fā)射原子熒光分子熒光分子磷光X射線熒光化學(xué)發(fā)光.12/21/202213光譜分析法吸收光譜法發(fā)射光譜法原子光譜法分子光譜法原原原X原第四節(jié)光譜法儀器五個基本單元：光源；單色器；樣品；檢測器；顯示與數(shù)據(jù)處理光源與檢測器方向？.12/21/202214第四節(jié)光譜法儀器五個基本單元：光源與檢測器方向？.12/1

連續(xù)光源：在較大范圍提供連續(xù)波長的光源：氫燈、氘燈、鎢絲燈、能斯特?zé)舻龋?/p>

線光源：提供特定波長的光源：金屬蒸氣燈(汞燈、鈉蒸氣燈)、空心陰極燈、激光等一、光源.12/21/202215連續(xù)光源：在較大范圍提供連續(xù)波長的光源：氫燈、氘燈、鎢絲二、單色器獲得高光譜純度輻射束的裝置（復(fù)合光分解為單色光或有一定寬度的譜帶)；主要部件：（1）狹縫；（2）準(zhǔn)直裝置(透鏡或反射鏡)：使輻射束成為平行光線；（3）色散裝置(棱鏡、光柵)：使不同波長的輻射以不同的角度進(jìn)行傳播；（4）聚焦透鏡或凹面反射鏡，使每個單色光束在單色器的出口曲面上成像。.12/21/202216二、單色器獲得高光譜純度輻射束的裝置（復(fù)合光分解為單色光或光柵單色器基本組成棱鏡單色器基本組成.12/21/202217光柵單色器基本組成棱鏡單色器基本組成.12/13/20221

nλ=d(sinφ±sinφ′)平面衍射光柵300~2000條/mm光柵的分光作用：狹縫的衍射作用形成的1.平面光柵衍射的色散方程n—(級數(shù))0,±1,±2,…d--為光柵常數(shù)φ--為入射角φ′--為衍射角線色散率：A色散率角色散率：dφ′/dλ=n/dcosφ′2.平面光柵衍射的性能指標(biāo)色散率分辨率聚光本領(lǐng).12/21/202218nλ=d(sinφ±sinφ′)平面衍射光柵B.分辨率RN為光柵的總刻線數(shù)，與面積有關(guān)。例：對一塊寬度為50.0mm，刻線數(shù)為1200條/mm的光柵，它的一級光柵的分辯能力為多少？在6000埃附近能分辨的兩條譜線的波長差為多少？解：分辨率為：R=1×50×1200=6×104比棱鏡高波長差為：Δλ=λ/R=6000/60000=0.1埃.12/21/202219B.分辨率RN為光柵的總刻線數(shù)，與面積有關(guān)。例：對一塊狹縫

單色器的進(jìn)口狹縫起著單色器光學(xué)系統(tǒng)虛光源的作用。復(fù)合光經(jīng)色散元件分開后，在出口曲面上形成相當(dāng)于每條光譜線的像，即光譜。轉(zhuǎn)動色散元件可使不同波長的光譜線依次通過。

定性分析時，減小狹縫寬度，使相鄰譜線的分辨率提高；

定量分析時，增大狹縫寬度，可使光強(qiáng)增加。.12/21/202220狹縫單色器的進(jìn)口狹縫起著單色器光學(xué)系統(tǒng)虛光三、試樣裝置（1）吸收池

紫外分光光度法：石英比色皿

可見分光光度法：玻璃比色皿

熒光分析法：石英比色皿

紅外分光光度法：將試樣與溴化鉀壓制成透明片（2）特殊裝置原子吸收分光光度法：霧化器中霧化，在火焰中，元素由離子態(tài)→原子；

.12/21/202221三、試樣裝置（1）吸收池.12/13/202221四、檢測器.12/21/202222四、檢測器.12/13/202222.12/21/202223.12/13/202223光電倍增管（photomultipliertube,PMT）

1個光子產(chǎn)生106~107個電子共有9個打拿極(dynatron)所加直流電壓共為1090V放大倍數(shù)：2n~5n;n=10,103~107

最大108~109光電流：10-8~10-3A響應(yīng)時間：10-9s光電倍增管示意圖124689753光束石英套陽極屏蔽柵極,Grill900Vdc90V123456789陽極陰極石英封讀出裝置R缺點(diǎn)：熱發(fā)射強(qiáng)，因此暗電流大。不得置于強(qiáng)光(如日光)下，否則可永久損壞PMT！優(yōu)點(diǎn)：高靈敏度；響應(yīng)快；適于弱光測定，甚至對單一光子均可響應(yīng)。.12/21/202224光電倍增管（photomultipliertube,PM思考題光學(xué)分析法、光譜分析法與非光譜分析法。2.光譜分析法的分類。3.如何理解原子光譜為線狀光譜、分子光譜為帶狀光譜？4.光譜分析儀器的基本流程及每部分的作用。5.色散率、分辨率。.12/21/202225思考題光學(xué)分析法、光譜分析法與非光譜分析法。.12/13/2

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Chapter2.12/21/202226光譜分析法引論InstrumentalAna第一節(jié)光分析法及其特點(diǎn)第二節(jié)電磁輻射的基本性質(zhì)第三節(jié)光分析法分類（重點(diǎn)）第四節(jié)光譜法儀器（重點(diǎn)）內(nèi)容.12/21/202227第一節(jié)光分析法及其特點(diǎn)內(nèi)容.12/13/20222

一、定義不同形式電磁輻射與物質(zhì)間相互作用而建立起來的分析方法。光分析法在研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)表征、表面分析等方面具有其他方法不可取代的地位。電磁輻射范圍：γ射線～無線電波；相互作用方式：發(fā)射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；第一節(jié)光分析法及其特點(diǎn).12/21/202228一、定義光分析法在研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)表征、表面分析等方面具

二、基本特點(diǎn)（1）均包含三個基本過程：能源提供能量；能量與被測物之間的相互作用；產(chǎn)生信號。（2）選擇性測量，不涉及混合物分離（不同于色譜分析）。（3）涉及大量光學(xué)元器件。第一節(jié)光分析法及其特點(diǎn).12/21/202229二、基本特點(diǎn)第一節(jié)光分析法及其特點(diǎn).12/13/2022第二節(jié)電磁輻射的基本性質(zhì)電磁輻射（電磁波）：以接近光速傳播的能量。波動性：c=λν=ν/σ反射、折射、散射、干涉、衍射微粒性：光電效應(yīng)康普敦效應(yīng)黑體輻射普朗克(Planch)公式

E=hν=hc/λ

σ/cm-1

=1/(λ/cm)

=104/(λ/μm)

E--光子的能量J,焦耳υ

---光子的頻率Hz,赫茲---光子的波長cmC---光速2.99791010cm.s-1h---Planch常數(shù)6.625610-34J.s焦耳.秒一.電磁輻射的波粒二象性.12/21/202230第二節(jié)電磁輻射的基本性質(zhì)電磁輻射（電磁波）：以接近光速傳播二.電磁輻射與物質(zhì)的相互作用及其光譜1.物質(zhì)的能態(tài)2.電磁輻射的吸收與發(fā)射原子、離子、分子A.原子光譜線光譜LinespectraE2E0E1E3hi波長半寬度10-2~10-5Na5890、5896原子吸收光譜原子發(fā)射光譜.12/21/202231二.電磁輻射與物質(zhì)的相互作用及其光譜1.物質(zhì)的能態(tài)2.電磁輻B.分子光譜帶光譜Bandspectra有機(jī)、無機(jī)分子E2E1E0半寬度20~100nm分子吸收光譜分子發(fā)射光譜hi波長/nmA(T)波長/nmI半寬度20~100nm.12/21/202232B.分子光譜帶光譜BandspectraC.熒光發(fā)射光致發(fā)光h原子熒光----線光譜

分子熒光----帶光譜

E2E0E1E3hiE2E1E0hihi.12/21/202233C.熒光發(fā)射光致發(fā)光h原子熒光----線光譜分三.電磁波譜.12/21/202234三.電磁波譜.12/13/20229第三節(jié)光分析法的分類基于物質(zhì)與輻射能作用時，物質(zhì)發(fā)生能級躍遷，測量由此而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長和強(qiáng)度。基于物質(zhì)與輻射相互作用時，測量輻射的某些性質(zhì)的變化的分析方法.原子外層或內(nèi)層電子能級的變化產(chǎn)生的，其形式為線光譜。原子光譜

分子光譜由分子中電子能級、振動和轉(zhuǎn)動能級的變化產(chǎn)生的，其形式為帶光譜。光譜法光譜法非光譜法.12/21/202235第三節(jié)光分析法的分類基于物質(zhì)與輻射能作用時，物質(zhì)發(fā)生能級躍原子光譜圖分子光譜圖.12/21/202236原子光譜圖分子光譜圖.12/13/202211光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原子吸收光譜原子發(fā)射光譜原子熒光光譜X射線熒光光譜折射法圓二色性法X射線衍射法干涉法旋光法紫外光譜法紅外光譜法分子熒光光譜法分子磷光光譜法核磁共振波譜法.12/21/202237光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原光譜分析法吸收光譜法發(fā)射光譜法原子光譜法分子光譜法原子發(fā)射原子吸收原子熒光X射線熒光原子吸收紫外可見紅外可見核磁共振紫外可見紅外可見分子熒光分子磷光核磁共振化學(xué)發(fā)光原子發(fā)射原子熒光分子熒光分子磷光X射線熒光化學(xué)發(fā)光.12/21/202238光譜分析法吸收光譜法發(fā)射光譜法原子光譜法分子光譜法原原原X原第四節(jié)光譜法儀器五個基本單元：光源；單色器；樣品；檢測器；顯示與數(shù)據(jù)處理光源與檢測器方向？.12/21/202239第四節(jié)光譜法儀器五個基本單元：光源與檢測器方向？.12/1

連續(xù)光源：在較大范圍提供連續(xù)波長的光源：氫燈、氘燈、鎢絲燈、能斯特?zé)舻龋?/p>

線光源：提供特定波長的光源：金屬蒸氣燈(汞燈、鈉蒸氣燈)、空心陰極燈、激光等一、光源.12/21/202240連續(xù)光源：在較大范圍提供連續(xù)波長的光源：氫燈、氘燈、鎢絲二、單色器獲得高光譜純度輻射束的裝置（復(fù)合光分解為單色光或有一定寬度的譜帶)；主要部件：（1）狹縫；（2）準(zhǔn)直裝置(透鏡或反射鏡)：使輻射束成為平行光線；（3）色散裝置(棱鏡、光柵)：使不同波長的輻射以不同的角度進(jìn)行傳播；（4）聚焦透鏡或凹面反射鏡，使每個單色光束在單色器的出口曲面上成像。.12/21/202241二、單色器獲得高光譜純度輻射束的裝置（復(fù)合光分解為單色光或光柵單色器基本組成棱鏡單色器基本組成.12/21/202242光柵單色器基本組成棱鏡單色器基本組成.12/13/20221

nλ=d(sinφ±sinφ′)平面衍射光柵300~2000條/mm光柵的分光作用：狹縫的衍射作用形成的1.平面光柵衍射的色散方程n—(級數(shù))0,±1,±2,…d--為光柵常數(shù)φ--為入射角φ′--為衍射角線色散率：A色散率角色散率：dφ′/dλ=n/dcosφ′2.平面光柵衍射的性能指標(biāo)色散率分辨率聚光本領(lǐng).12/21/202243nλ=d(sinφ±sinφ′)平面衍射光柵B.分辨率RN為光柵的總刻線數(shù)，與面積有關(guān)。例：對一塊寬度為50.0mm，刻線數(shù)為1200條/mm的光柵，它的一級光柵的分辯能力為多少？在6000埃附近能分辨的兩條譜線的波長差為多少？解：分辨率為：R=1×50×1200=6×104比棱鏡高波長差為：Δλ=λ/R=6000/60000=0.1埃.12/21/202244B.分辨率RN為光柵的總刻線數(shù)，與面積有關(guān)。例：對一塊狹縫

單色器的進(jìn)口狹縫起著單色器光學(xué)系統(tǒng)虛光源的作用。復(fù)合光經(jīng)色散元件分開后，在出口曲面上形成相當(dāng)于每條光譜線的像，即光譜。轉(zhuǎn)動色散元件可使不同波長的光譜線依次通過。

定性分析時，減小狹縫寬度，使相鄰譜線的分辨率提高；

定量分析時，增大狹縫寬度，可使光強(qiáng)增加。.12/