紫外可见漫反射光谱基本原理
物化实验课件-固体样品的紫外-可见漫反射光谱(uv-vis drs)测定
固体样品的紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）测定一、实验目的1.掌握紫外-可见漫反射原理；2.了解紫外-可见分光光度计的类型和结构；3.数据处理及分析。
二、实验原理1.紫外-可见漫反射光谱与紫外一可见吸收光谱相比，所测样品的局限性要小很多。
吸收光谱符合朗伯-比尔定律，溶液必须是稀溶液才能测量。
而漫反射光谱，所测样品可以是浑浊溶液、悬浊溶液、固体和固体粉末等，试样产生的漫反射符合Kublka-Munk方程式：()2-=R R K S12//∞∞式中：K——吸收系数S——散射系数R∞——表示无限厚样品的反射系数R的极限值，其数值为一个常数。
实际上，一般不测定样品的绝对反射率，而是以白色标准物质为参比（本实验采用BaSO4，其反射系数在紫外-可见区高达98%左右）比较测量得到的相对反射率R∞(样品)/R∞(参比)，将此比值对波长作图，构成一定波长范围内该物质的反射光谱。
积分球是漫反射测量中的常用附件之一，其内表面的漫反射物质反射系数高达98%，使得光在积分球内部的损失接近零。
漫反射光是指从光源发出的的光进入样品内部，经过多次反射、折射、散射及吸收后返回样品表面的光。
这些光在积分球内经过多次漫反射后到达检测器。
2.固体漫反射吸收光谱漫反射光谱是一种不同于一般吸收光谱的在紫外、可见和近红外区的光谱，是一种反射光谱，与物质的电子结构有关。
D:漫反射S:镜面反射固体漫反射示意图当光照射固体样品时，固体样品的外层电子产生跃迁。
νλE=h=h*C/式中：E为禁带能h=6.626⨯10-34J⋅S（普朗克常数）C=8⨯108m⋅S-1λ为截止波长，待测本实验测试仪器为岛津公司生产的UV-3600（大附件MPC-3100）分光光度计。
三、实验过程1.打开分光光度计预热20-30min;2.通过UVProbe软件设置相应参数;3.样品漫反射光谱测试；4.数据处理及分析。
四、实验报告及要求1.掌握实验原理以及相关知识；2.参数设置时的技巧；3.计算所测半导体材料的带隙，附图谱。
紫外可见漫反射光谱
Reference scan 次反射、折射、散射及吸收后返回样品表面的光．
体、粉末、乳浊液和悬浊液
次反射、折射、散射及吸收后返回样品表面的光．
Always Uncheck 体、粉末、乳浊液和悬浊液
Fiber Connector
Loose two screws and open the
material into the cuvette holder 前者：采用透射方式 ，所测样品为溶液 K 为吸收系数，S 为散射系数，R∞ 表示无限厚样品
Software Operation:
Reflectance Test: Check
Transmission Test: Uncheck
Fiber Coupling:
Uncheck
1.Dark scan
2.Reference scan 3.Acquire one spectrum
Transmission Test:
Accessories
Transmission Test :
Take off the port plug or port reducer .
Take off reference and put the sample
1 2 K 为吸收系数，S 为散射系数，R∞ 表示无限厚样品
Set “Integration Time” to an appropriate value, that make the “Intensity” of “Reference Scan” up to around射材料
（BaSO4）的反射率比较：
三. 紫外-可见漫反射光谱仪器及操作
System Hardware
System Layout
紫外可见漫反射求带隙宽度
紫外可见漫反射求带隙宽度1. 引言紫外可见漫反射（UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy）是一种常用的光谱分析技术，用于研究材料的光学性质。
在材料科学和化学领域，紫外可见漫反射可以用来确定材料的带隙宽度。
带隙宽度是指能带结构中价带（valence band）和导带（conduction band）之间的能级差。
它是一个重要的材料参数，对于了解材料的电子结构和光学性质具有重要意义。
本文将详细介绍紫外可见漫反射原理、带隙宽度的计算方法以及实际应用。
2. 紫外可见漫反射原理紫外可见漫反射是一种非常灵敏的光谱测量技术，通过测量样品对入射光的反射率来获取信息。
在紫外可见光谱范围内，材料的反射率与能带结构和电子能级密切相关。
当光线照射到材料表面时，一部分光被吸收，一部分光被反射。
被吸收的光能量会激发材料中的电子，使其从价带跃迁到导带。
根据库仑定律，当光通过材料时，电子会发生振荡，产生漫反射。
漫反射光的强度与材料的能带结构和电子态密度有关。
通过测量样品对入射光的漫反射光强度，可以得到材料的光谱信息。
3. 带隙宽度的计算方法带隙宽度可以通过紫外可见漫反射光谱的分析来计算。
在紫外可见光谱范围内，材料的反射率与波长有关，可以通过绘制反射率-波长曲线来分析材料的光学性质。
3.1 Kubelka-Munk理论Kubelka-Munk理论是一种常用的分析紫外可见漫反射光谱的方法。
该理论假设材料的吸收和散射是独立的。
根据Kubelka-Munk理论，漫反射光强度（R）与样品的吸收系数（α）和散射系数（S）之间存在以下关系：R = (1 - R∞)^2 / (2 * S * α)其中，R∞为样品的透射率。
3.2 Tauc方程Tauc方程是根据材料的能带结构推导出来的，用于计算带隙宽度。
根据Tauc方程，材料的吸收系数与入射光的能量之间存在以下关系：αhν = A(hν - Eg)^n其中，α为吸收系数，hν为入射光的能量，Eg为带隙宽度，A为常数，n为指数。
漫反射光谱(DRS)分析
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R 2 R
2
● 实际测定的是 R’∞, 不是绝对反射率 R ∞，即相对 一 个标准样品的相对反射率。 ● 其值依赖于波长 F(R’ ∞)—波长 ●对应于透射光谱的消光系数 ● 在一个稀释的物种的情况下正比于物种的浓度 （相似于 Lambert-Beer law)。
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● 漫反射光谱的表达
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1/R∞ 和 Log (1/R∞) ——相当于透射光谱测定中的
吸收率： log (1/R) = log (100/%R) 。 用log (1/R) 单位是因为其与样品组分
的浓度间有线性相关性。
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10
● R∞的确定
一般不测定样品的绝对反射率，而是以白色标准物 质为参比（假设其不吸收光，反射率为1），得到的相 对反射率。 参比物质：要求在200 nm – 3 微米波长范围反射 率为100%，常用MgO, BaSO4，MgSO4等，其反射率 R ∞定义为1（大约为0.98-0.99). MgO 机械性能不如
代替法
比较法
检测器：光电倍增管（用于紫外-可见光） 硫化铅 （用于近红外区）
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2. 样品处理
将固体样品研磨成一定的颗粒度，保证重现性， 压成片状，干燥。 参比压成白板。 粉末样品不用压片，用专用样品池测定。 样品也可用稀释剂稀释测定，稀释剂可用MgO， BaSO4,NaCl, SiO2等。
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2.比比谁的 手更白！
你能猜出每条反射曲对应 的是哪只手吗？
B
右上图：手背皮肤的紫外可见漫
反射曲线
A C
左下图：上图所测曲线的各个“样 品”
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三、催化剂研究中的应用
1. 光吸收性质的研究 TiO2光催化剂
光谱测量方法
UVVisDRS光谱及其在催化剂表征中的应用
积分球用于测定反射光谱的方法（2种）：
代替法：其基本原理如
右图5所示，从外部过来的 辐射通过小孔1进入球内， 落在样品表面2上，用外部 光度计通过小孔3测量球壁 辐射强度，然后用标准物 代替样品进行重复测量， 强度的相对值用来量度以 标准物为基准的样品反射 能力。
图5 代替法
• 比较法：样品和标准物在整个测
2R
注：K 为吸收系数，S 为散射系数，
R∞ 表示无限厚样品的反射系数R 的极限值。
F (R∞ ) 称为减免函数或Kubelka—Munk函数。
● 实际测定的是R′∞, 不是绝对反射率 R∞，即相对
一 个标准样品的相对反射率。
● 其值依赖于波长 F(R′∞)—波长
● 对应于透射光谱的消光系数
● 在一个稀释的物种的情况下正比于物种的浓度
（相似于 Lambert-Beer law)。
1.5 漫反射光谱的表达 朗伯比尔定律描述入射光和吸收光之间的关系。 漫反射定律描述一束单色光入射到一种既能吸 收光，又能反射光的物体上的光学关系。
A=-㏑T
LogF (R
)
LogK
LogS
Log
1 R
2R
2
图4 吸收光谱曲线与漫反射光谱曲线
比色分析法：比较有色溶液深浅来确定物质含量 的方法，属于可见吸收光度法的范畴。
分光光度法：使用分光光度计进行吸收光谱分析 的方法。
紫外可见波长范围：
远紫外光区：10-200 nm； 近紫外光区：200-400 nm； 可见光区：400-780 nm。
注：由于O2、N2、CO2、H2O等在真空紫外区(60-200 nm)均有
1.1 固体中金属离子的电荷跃迁
紫外可见漫反射光谱原理
紫外可见漫反射光谱原理
1、在过渡金属离子-配位体体系中，一方是电子给予体，另一方为电子接受体。
在光激发下，发生电荷转移，电子吸收某能量光子从给予体转移到接受体，在紫外区产生吸收光谱。
其中，电荷从金属（Metal）向配体(Ligand)进行转移，称为MLCT;反之，电荷从配体向金属转移，称为LMCT。
2、当过渡金属离子本身吸收光子激发发生内部d轨道内的跃迁（d-d)跃迁，引起配位场吸收带，需要能量较低，表现为在可见光区或近红外区的吸收光谱。
3、贵金属的表面等离子体共振：贵金属可看作自由电子体系，由导带电子决定其光学和电学性质。
在金属等离子体理论中，若等离子体内部受到某种电磁扰动而使其一些区域电荷密度不为零，就会产生静电回复力，使其电荷分布发生振荡，当电磁波的频率和等离子体振荡频率相同时，就会产生共振。
这种共振，在宏观上就表现为金属纳米粒子对光的吸收。
金属的表面等离子体共振是决定金属纳米颗粒光学性质的重要因素。
由于金属粒子内部等离子体共振激发或由于带间吸收，它们在紫外可见光区域具有吸收谱带。
紫外可见漫反射的基本原理
紫外可见漫反射的基本原理宝子！今天咱们来唠唠紫外可见漫反射这个超有趣的事儿哈。
你看啊，这紫外可见漫反射呢，就像是一场光和物质的奇妙对话。
想象一下，光就像一个好奇的小使者，到处去探索物质的小秘密。
紫外光和可见光啊，它们都有自己独特的能量，就像不同性格的小伙伴。
当光打到一个物体表面的时候，就开始了这场有趣的互动。
如果这个物体表面特别光滑，那光就会像在镜子上一样，规规矩矩地反射，这种就叫镜面反射啦。
但是呢，咱们的紫外可见漫反射可不一样哦。
大多数的物体表面都不是那么完美光滑的，就像咱们的脸，虽然看起来滑滑的，但放大了看还是有各种小起伏呢。
这个时候，光打上去就会向四面八方散射开来，这就是漫反射啦。
那这和紫外可见光又有啥关系呢？紫外光和可见光的能量不同，它们和物质里的电子相互作用的方式也不太一样。
物质里面的电子就像一个个小懒虫，平时在自己的小窝里待着。
当紫外可见光这个小使者来敲门的时候，如果光的能量刚好合适，就像带了一把合适的钥匙，就能让电子兴奋起来，从低能量的状态跳到高能量的状态，这个过程就叫电子跃迁。
对于不同的物质呢，它们的电子结构不一样，就像每个房子的门锁构造不同。
所以呢，不同的物质对紫外可见光的吸收和漫反射情况就不一样。
有的物质可能特别喜欢吸收紫外光，那在紫外光的波段下，它漫反射出来的光就比较少。
而有的物质对可见光里的某些颜色吸收得多，那这个物质看起来就会呈现出其他颜色的混合色，这就是因为不同颜色的光被吸收和漫反射的比例不一样。
比如说，咱们看到树叶是绿色的，为啥呢？就是因为树叶里的叶绿素这个小调皮，它对可见光里的蓝光和红光吸收得比较多，而对绿光吸收得少，绿光就被大量地漫反射出来，所以咱们看到树叶就是绿汪汪的啦。
再说说那些做材料研究的科学家们为啥这么在意紫外可见漫反射呢。
这就像是他们在寻找物质的身份证一样。
通过测量一个物质的紫外可见漫反射光谱，就能知道这个物质的很多秘密。
比如说，这个物质里面有没有某些特殊的化学键，它的晶体结构大概是什么样的。
紫外可见漫反射光谱仪原理
紫外可见漫反射光谱仪原理
紫外可见漫反射光谱仪的原理是基于漫反射定律和紫外可见吸收光谱的测量。
漫反射光谱是一种不同于一般吸收光谱的反射光谱，与物质的电子结构有关。
当光照射到固体表面时，一部分光会发生镜面反射，另一部分光则会折射入固体内部，经过吸收、反射和散射等过程后，从固体表面各个方向反射出来，这种反射称为漫反射。
漫反射光谱仪通过收集这些反射出来的漫反射光，获得一个漫反射光谱。
漫反射光谱仪的核心部件是漫反射积分器，它能够将收集到的漫反射光进行积分，从而得到漫反射率R。
根据Kubelka-Munk方程式（漫反射定律），漫反射率R与吸收系数K和散射系数S之间存在一定关系。
通过测量漫反射率R，可以计算出吸收系数K和散射系数S，从而得到紫外可见吸收光谱。
紫外可见漫反射光谱仪的波长范围通常在200-800nm之间，可用于研究催化剂表面过渡金属离子及其配合物的结构、氧化状态、配位状态、配位对称性，以及催化剂的光吸收性能等。
此外，紫外可见漫反射光谱仪还可用于色差的测定等应用。
在使用紫外可见漫反射光谱仪时，需要将待测样品均匀沉积在玻璃片上，并与参比物质（如BaSO4）一起放入仪器中。
通过扫描波长范围，测量漫反射率R，并计算出吸收系数K和散射系数S，最终得到紫外可见吸收光谱。
总之，紫外可见漫反射光谱仪的原理基于漫反射定律和紫外可见吸收光谱的测量，通过收集漫反射光并计算吸收系数和散射系数，获得物质的紫外可见吸收光谱，从而实现对物质电子结构的研究和分析。
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紫外可见漫反射光谱基本原理
前言:
1、紫外可见光谱利用的哪个波段的光？
紫外光的波长范围为:10-400 nm; 可见光的波长范围:400-760 nm; 波长大于760 nm为红外光。
波长在10-200 nm范围内的称为远紫外光,波长在200-400 nm的为近紫外光。
而对于紫外可见光谱仪而言,人们一般利用近紫外光与可见光,一般测试范围为200-800 nm、
2、紫外可见漫反射光谱可以做什么？
紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)可用于研究固体样品的光吸收性能,催化剂表面过渡金属离子及其配合物的结构、氧化状态、配位状态、配位对称性等。
备注:这里不作详细展开,我们后面会结合实例进行分析。
3、漫反射就是什么？
当光束入射至粉末状的晶面层时,一部分光在表层各晶粒面产生镜面反射(specular reflection);另一部分光则折射入表层晶粒的内部,经部分吸收后射至内部晶粒界面,再发生反射、折射吸收。
如此多次重复,最后由粉末表层朝各个方向反射出来,这种辐射称为漫反射光(diffuse reflection)。
4、紫外可见光谱的基本原理
对于紫外可见光谱而言,不论就是紫外可见吸收还就是紫外可见漫反射,其产生的根本原因多为电子跃迁、
有机物的电子跃迁包括n-π,π-π跃迁等将放在紫外可见分光分度法中来介绍。
对于无机物而言:
a、在过渡金属离子-配位体体系中,一方就是电子给予体,另一方为电子接受体。
在光激发下,发生电荷转移,电子吸收某能量光子从给予体转移到接受体,在紫外区产生吸收光谱。
其中,电荷从金属(Metal)向配体(Ligand)进行转移,称为MLCT;反之,电荷从配体向金属转移,称为LMCT、
b、当过渡金属离子本身吸收光子激发发生内部d轨道内的跃迁(d-d)跃迁,引起配位场吸收带,需要能量较低,表现为在可见光区或近红外区的吸收光谱。
c、贵金属的表面等离子体共振:
贵金属可瞧作自由电子体系,由导带电子决定其光学与电学性质。
在金属等离子体理论中,若等离子体内部受到某种电磁扰动而使其一些区域电荷密度不为零,就会产生静电回复力,使其电荷分布发生振荡,当电磁波的频率与等离子体振荡频率相同时,就会产生共振。
这种共振,在宏观上就表现为金属纳米粒子对光的吸收。
金属的表面等离子体共振就是决定金属纳米颗粒光学性质的重要因素。
由于金属粒子内部等离子体共振激发或由于带间吸收,它们在紫外可见光区域具有吸收谱带。
5、紫外可见漫反射光谱的测试方法——积分球法
积分球又称为光通球,就是一个中空的完整球壳, 其典型功能就就是收集光。
积分球内壁涂白色漫反射层(一般为MgO或者BaSO4),且球内壁各点漫反射均匀。
光源S在球壁上任意一点B上产生的光照度就是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。
采用积分球的目的就是为了收集所有的漫反射光,而通过积分球来测漫反射光谱的原理在于:由于样品对紫外可见光的吸收比参比(一般为BaSO4)要强,因此通过积分球收集到的漫反射光的信号要弱一些,这种信号的差异可以转化为紫外可见漫反射光谱。
采用积分球可以避免光收集过程引起的漫反射的差异。
6、漫反射定律(K-M方程)
漫反射定律描述一束单色光入射到一种既能吸收光,又能反射光的物体上的光学关系。
注意点:
1、实际上,从上面的积分球方法中我们也可以瞧出,人们通常测量的不就是绝对反射率R∞,而就是一个相对于标准样品(一般为BaSO4)的相对反射率。
2、样品的漫反射与入射光波长相关
3、在一个稀释的物种的情况下F(R∞)正比于物种的浓度,类似于朗伯比尔定律(将在紫外可见分光光度法中介绍)。