第二章光譜分析概論

第二章光譜分析概論第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述一、光分析法：二、光分析法的分類：第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

概述：隨著光學(xué)和電子技術(shù)的發(fā)展，基于電磁輻射(光)與物質(zhì)相互作用而建立的分析測試方法越來越廣泛地應(yīng)用于物理、化學(xué)和生物等各個學(xué)科領(lǐng)域。特別在物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的研究、基團(tuán)的識別、幾何構(gòu)型的確定、表面分析等方面，更具有其優(yōu)越性。第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、光分析法：凡是基于檢測能量作用于待測物質(zhì)后產(chǎn)生的輻射信號或所引起變化的分析方法均可稱為光分析法。

光分析辦法均包含有四個主要過程：1.能源提供能量，2.能量與被測物質(zhì)相互作用，3.產(chǎn)生被檢測的訊號，4.檢測信號轉(zhuǎn)換處理后，產(chǎn)生數(shù)據(jù)或光譜圖、對數(shù)據(jù)圖譜進(jìn)行解讀，確定分析物的結(jié)構(gòu)和組成。第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光分析法的分類：按能源不同，光學(xué)分析法可分為：紅外、紫外、X光及化學(xué)發(fā)光等光譜法；按被測物質(zhì)不同，光學(xué)分析法可分為：原子光譜、分子光譜；

按產(chǎn)生的被測信號的輻射能的基本性質(zhì)，光學(xué)分析法可分為：吸收、發(fā)射、散射、折射、反射、干涉、衍射、偏振等。第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

光譜分析：主要以光的發(fā)射、吸收或拉曼散射等作用而建立的分析方法，以光譜的波長或強(qiáng)度為分析依據(jù)。

非光譜分析：指那些不以光的波長為分析依據(jù)，僅通過測量光的折射、反射、干涉、衍射、偏振等某些基本性質(zhì)的變化為分析依據(jù)的方法，如比濁法、旋光法、折射法等。一般分類：光譜分析和非光譜分析第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、光與電磁波譜的基本性質(zhì)二、用于分析的電磁波譜的譜區(qū)范圍及對應(yīng)的量子躍遷類型三、物資與光的相互作用第二節(jié)、光、光譜、電磁波譜第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光的性質(zhì)光是一種電磁波，具有波、粒二重性。整個電磁波包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外光、X射線、γ-射線等。一、光與電磁波譜的基本性質(zhì)第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月它們作為橫向電磁波在空間傳播，在真空中的傳播速度都等于光速，即λ·ν=c，式中λ是波長，ν是頻率，c是光在真空中的傳播速度，約等于3×1010cm/s。各種電磁波譜的波長、頻率及具有的能量各不相同，而且產(chǎn)生各種電磁波譜的方法也是不同的。光共同的特點(diǎn)：第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

光譜：將不同波長的光按它們波長大小的順序依次排列，并以波長為橫坐標(biāo)，以光強(qiáng)為縱坐標(biāo)所形成的圖譜。其曲線為光譜曲線；其在某些波長處有較強(qiáng)的光強(qiáng)度時，呈尖峰狀光譜曲線，為光譜峰，對應(yīng)的波長為特征波長。2、光譜波長光強(qiáng)光譜峰第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

①、光的波動性參數(shù)，

②、光的數(shù)量參數(shù)，

③、光的傳播參數(shù)，

④、光的偏振性參數(shù).

3、描述光有四類參數(shù)：第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

即：電磁波振動的周期性特征，用振動的時間頻率(周期)或空間頻率(周期)表示，是光的性質(zhì)參數(shù)。光的時空特征：振動狀態(tài)在時間上的重復(fù)性特征，用頻率ν或周期T表示，二者互為倒數(shù)；振動狀態(tài)在空間上的重復(fù)特征，用波長λ或波數(shù)σ表示，二者互為倒數(shù)。①、光的波動性參數(shù)光的四類參數(shù)第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月②、光的數(shù)量參數(shù)，即光的強(qiáng)度或振幅。③、光的傳播參數(shù)，包括光的傳播速度、方向與相位。④、光的偏振性參數(shù)，電磁波是一種橫波、電場和磁場的振動方向與傳播方向相互垂直；固定在一種振動方向的為線偏振光，振動方向隨時間頻率而轉(zhuǎn)動的光為園或橢圓偏振光。

光的四類參數(shù)第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、用于分析的電磁波譜的譜區(qū)范圍及對應(yīng)的量子躍遷類型光的譜區(qū)范圍躍遷類型1、能譜區(qū)，核能、內(nèi)層電子2、光學(xué)光譜，外層電子、價電子、分子振動、轉(zhuǎn)動3、波譜，電子自旋、核自旋第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

波長很短的光(<10nm)，其光子的能量很高(>102eV)，其粒子性比較明顯，此譜區(qū)為能譜，包括γ射線和Х射線；采用該譜區(qū)的光為分析信號的分析技術(shù)為能譜分析，使用的為射線儀器。1、能譜譜區(qū)范圍第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、光學(xué)光譜：

包括紫外譜區(qū)(180-400nm)、可見光譜區(qū)(420-780nm)、和紅外譜區(qū)(0.78-300um)，該譜區(qū)可使用光學(xué)器件，如棱鏡、光柵、透鏡等，因此稱為光學(xué)譜區(qū)。

3、波譜：

波長很長(>1mm)的光，光子能量很小(<10-3eV)，主要表現(xiàn)為光的波動性，因此稱為波譜，包括微波和無線電波，波譜的產(chǎn)生和檢測主要使用電子器件。第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月譜區(qū)名稱*波長范圍**光子能量(Ev)能級躍遷類型γ射線X射線遠(yuǎn)紫外光近紫外光可見光近紅外光中紅外光遠(yuǎn)紅外光微波射頻5-140pm10-3-10nm10-200nm200-400nm400-750nm0.75-2.5um2.5-50um50-1000um0.1-100cm1-1000m2.5*106-8.3*1031.2*106-1.2*102125-66-3.13.1-1.71.7-0.50.5-0.022*10-2-4*10-44*10-4-4*10-74*10-7-4*10-10核反應(yīng)內(nèi)層電子躍遷價電子躍遷價電子躍遷價電子躍遷分子振動分子振動分子轉(zhuǎn)動分子轉(zhuǎn)動,電子自旋核自旋電磁波譜的的譜區(qū)范圍及對應(yīng)的量子躍遷類型見下表：第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波譜的的譜區(qū)范圍(下表)：譜區(qū)名稱*波長范圍**波數(shù)(σ/cm)頻率范圍(MHz)γ射線X射線遠(yuǎn)紫外光近紫外光可見光近紅外光中紅外光遠(yuǎn)紅外光微波射頻5-140pm10-3-10nm10-200nm200-400nm400-750nm0.75-2.5um2.5-50um50-1000um0.1-100cm1-1000m2*1010-7*1071010-106106-5*1045*104-2.5*1042.5*104-1.3*1043*104-4*1034000-200200-1010-0.0110-2-10-56*1014-2*10123*1014-3*10103*1010-1.5*1095*109-7.5*1087.5*108-4.0*1084.0*108-1.2*1081.2*108-6.0*1066.0*106-105105-102102-0.1第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、分子內(nèi)部運(yùn)動的層次性與光(電磁波)的聯(lián)系二、物資與光的相互作用

第三節(jié)光與物質(zhì)的相互作用第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1、物質(zhì)中分子的運(yùn)動狀態(tài)2、分子內(nèi)部運(yùn)動與光的聯(lián)系一、分子內(nèi)部運(yùn)動的層次性與光(電磁波)的聯(lián)系第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月分為以下六種：①、分子的平動運(yùn)動(熱運(yùn)動);②、分子中各原子的核外電子軌道運(yùn)動(主要為價電子運(yùn)動);③、分子中各原子間的相對位移振動;④、分子的轉(zhuǎn)動;⑤、分子中各原子的核外電子在外磁場作用下因自旋而產(chǎn)生的進(jìn)動;⑥、分子中各原子核在外磁場作用下因自旋而產(chǎn)生的進(jìn)動。1、物質(zhì)中分子的運(yùn)動狀態(tài)第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

①、分子的平動運(yùn)動：

分子的平動運(yùn)動狀態(tài)與速度取決于物質(zhì)的溫度，與分子的本性無關(guān)，其變化不會導(dǎo)致吸收或發(fā)射特征光，因此無法取得分子的結(jié)構(gòu)信息，但分子的平動運(yùn)動狀態(tài)會影響光譜的帶寬，對光譜分析也有影響。2、分子內(nèi)部運(yùn)動與光的聯(lián)系第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

②、分子中各原子的核外電子軌道運(yùn)動(主要為價電子運(yùn)動)：需要的能量較高，從γ－射線、Х－射線、紫外到可見光，以紫外－可見光較為常用，對應(yīng)的振動頻率范圍1014～1015(Hz)。2、分子內(nèi)部運(yùn)動與光的聯(lián)系(續(xù)1)第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

③、分子中各原子間的相對位移振動：需要的能量略低，為中紅外譜區(qū),對應(yīng)的振動頻率范圍1013～1014(Hz)。

④、分子的轉(zhuǎn)動：需要的能量更低，為遠(yuǎn)紅外譜區(qū),對應(yīng)的振動頻率范圍1011～1012(Hz)。2、分子內(nèi)部運(yùn)動與光的聯(lián)系(續(xù)2)第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑤、分子中各原子的核外電子在外磁場作用下因自旋而產(chǎn)生的進(jìn)動：需要的能量對應(yīng)為微波區(qū),對應(yīng)的振動頻率范圍109～1010(Hz)。

⑥、分子中各原子核在外磁場作用下因自旋而產(chǎn)生的進(jìn)動：需要的能量對應(yīng)于無線電波區(qū),對應(yīng)的振動頻率范圍107～108(Hz)。2、分子內(nèi)部運(yùn)動與光的聯(lián)系(續(xù)3)第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

小結(jié)：后五種運(yùn)動狀態(tài)中，分子的運(yùn)動狀態(tài)直接與組成物質(zhì)的原子有關(guān)。由于組成物質(zhì)的原子不同，且每一種分子的內(nèi)部在任何時刻都同時存在若干不同層次的、具有特征的固有頻率振動，因此這些在不同層次上的固有頻率特征包含物資的結(jié)構(gòu)和組成的豐富信息。通過物質(zhì)與光的相互作用，將這些信息負(fù)載到與其作用的分析光中，即可從中提取到物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成的豐富信息，完成對物質(zhì)的定性、定量分析。2、分子內(nèi)部運(yùn)動與光的聯(lián)系(續(xù)4)第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

物質(zhì)與光的相互作用有五個方面，即：吸收、發(fā)射、透射、散射和折射。

二、物資與光的相互作用第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)光與物質(zhì)接觸時，某些頻率的光(與某一種運(yùn)動狀態(tài)的頻率一致時)被選擇吸收，并使其強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。

吸收的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)通過吸收光能，從低能態(tài)躍遷到較高的能態(tài)。

能量最低的運(yùn)動狀態(tài)為基態(tài)，高于基態(tài)的各種運(yùn)動狀態(tài)為激發(fā)態(tài)。從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的過程稱為激發(fā)。處于激發(fā)態(tài)的物質(zhì)稱為受激物資。

物資與光的相互作用1、光的吸收：第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

發(fā)射的類型：共振光：能量與激發(fā)態(tài)和基態(tài)的差值相同；熒光和磷光:損失部分能量后,從高能態(tài)返回基態(tài)。也可通過釋放熱的形式經(jīng)無發(fā)射退激從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)。物資與光的相互作用當(dāng)受激物資(受光能、電能、熱能或其它外界能量所激發(fā)的物質(zhì))從高能態(tài)回到低能態(tài)時，往往以光輻射的形式釋放出多余的能量，這種現(xiàn)象為發(fā)射。2、光的發(fā)射：第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月光通過透明介質(zhì)時，如果只是引起了微粒的價電子相對與原子核的振動，它的能量只是瞬間(10-14～10-15S)被微粒所保留，當(dāng)物資回到其原來狀態(tài)時，又毫無保留地將光能重新按原方向發(fā)射出來，在該過程中沒有凈能量變化，光的頻率也就沒有變化，只是光的傳播速度減慢了，這種現(xiàn)象為光的透射。物資與光的相互作用2、光的透射：第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

光通過不均勻介質(zhì)時，如果一部分光沿著其它方向傳播，這種現(xiàn)象稱為光的散射。

根據(jù)散射的起因，可分為丁達(dá)爾散射、瑞利散射、拉曼散射(斯托克斯散射和反斯托克斯散射)。

3、光的散射：物資與光的相互作用第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)光從一種透明介質(zhì)進(jìn)入另一種透明介質(zhì)時，光束的前進(jìn)方向發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為折射。

折射是由于光在不同介質(zhì)中的傳播速度不同引起的。

物資對光的折射率隨著光的頻率的變化而改變，這種現(xiàn)象稱為“色散”。

利用色散現(xiàn)象可將不同波長的復(fù)合光分散開來，成為許多波長范圍較窄的“單色光”，這種作用稱為“分光”。

4、光的折射：物資與光的相互作用第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月－、光譜類型二、光譜分析法

光譜與光譜分析法的分類第四節(jié)第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

★按照產(chǎn)生光譜的方式不同：吸收光譜、發(fā)射光譜和散射光譜；

★按照產(chǎn)生光譜的物質(zhì)類型的不同：原子光譜和分子光譜；

★按照光譜的性質(zhì)和形狀：線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。一、光譜類型：第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

?吸收光譜：把物質(zhì)對光的吸收情況按照波大小長的順序排列記錄下來得到的光譜為吸收光譜。

?發(fā)射光譜：吸收了能量(光能、熱能、電能或其它能量)的粒子，由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)時，如果以光輻射的形式釋放出多余的能量，我們把發(fā)射出的光按波長的次序排列記錄下來得到發(fā)射光譜。光譜類型第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

?原子光譜：氣態(tài)原子發(fā)生躍遷時能發(fā)射或吸收一定頻率的電磁輻射，經(jīng)過光譜儀得到的一條條分立的線狀光譜，為原子光譜。

氣態(tài)原子相互之間的作用力小，且原子沒有振動和轉(zhuǎn)動能級，主要為原子核外電子的能級躍遷所致，因?yàn)楦髂芗壷g是非連續(xù)的，因此發(fā)射或吸收的是一些頻率(或波長)不連續(xù)的輻射，即一條條彼此分立的線光譜。光譜類型第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月?分子光譜：處于氣態(tài)或溶液中的分子，當(dāng)發(fā)生躍遷時，所發(fā)射或吸收的是一定頻率(或波長)范圍的電磁輻射組成的帶狀光譜。

分子中不僅包括原子的電子能級、還包括價鍵的振動和轉(zhuǎn)動能級，雖然這些能級都是量子化的，但由于在電子能級上疊加有許多振動能級，每個振動能級上又疊加又許多轉(zhuǎn)動能級，從而導(dǎo)致能級之間能量差異很小，這些能量差異很小的光無法用光譜儀區(qū)分，因此為帶狀光譜。固體物質(zhì)或復(fù)雜分子受激后發(fā)射出的是一波長范圍相對廣闊的連續(xù)光譜，也稱固體光譜。

光譜類型第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光譜分析法

光譜分析法：根據(jù)光譜與物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在關(guān)系而進(jìn)行分析的方法。由于物質(zhì)內(nèi)部粒子運(yùn)動所處的能級和產(chǎn)生能級躍遷時的能量變化不同，躍遷時只能吸收或發(fā)射與粒子運(yùn)動相對應(yīng)的特定頻率或波長的光能，形成相應(yīng)的特征光譜。

不同的物質(zhì)，由于其組成的原子和結(jié)構(gòu)的不同，粒子運(yùn)動時所具有的能量也不同，其特征光譜也就不同。因此、可根