第1章 原子光谱学导论
第一章原子发射光谱法解读
第一章、原子发射光谱法一、选择题1.闪耀光栅的特点之一是要使入射角α、衍射角β和闪耀角θ之间满足下列条件( )(1) α=β(2) α=θ(3) β=θ(4) α=β=θ2光栅公式[nλ= b(Sinα+ Sinβ)]中的b值与下列哪种因素有关？( )(1) 闪耀角(2) 衍射角(3) 谱级(4) 刻痕数(mm-1)3. 原子发射光谱是由下列哪种跃迁产生的？( )(1) 辐射能使气态原子外层电子激发(2) 辐射能使气态原子内层电子激发(3) 电热能使气态原子内层电子激发(4) 电热能使气态原子外层电子激发4. 摄谱法原子光谱定量分析是根据下列哪种关系建立的(I——光强, N基——基态原子数,∆S——分析线对黑度差, c——浓度, I——分析线强度, S——黑度)？( )(1) I－N基(2) ∆S－lg c(3) I－lg c(4) S－lg N基5. 下述哪种光谱法是基于发射原理？( )(1) 红外光谱法(2) 荧光光度法(3) 分光光度法(4) 核磁共振波谱法6. 当不考虑光源的影响时，下列元素中发射光谱谱线最为复杂的是( )(1) K(2) Ca(3) Zn(4) Fe7. 以光栅作单色器的色散元件，若工艺精度好，光栅上单位距离的刻痕线数越多，则( )(1) 光栅色散率变大，分辨率增高(2) 光栅色散率变大，分辨率降低(3) 光栅色散率变小，分辨率降低(4) 光栅色散率变小，分辨率增高8. 发射光谱定量分析选用的“分析线对”应是这样的一对线( )(1) 波长不一定接近，但激发电位要相近(2) 波长要接近，激发电位可以不接近(3) 波长和激发电位都应接近(4) 波长和激发电位都不一定接近9. 以光栅作单色器的色散元件，光栅面上单位距离内的刻痕线越少，则( )(1) 光谱色散率变大，分辨率增高(2) 光谱色散率变大，分辨率降低(3) 光谱色散率变小，分辨率增高(4) 光谱色散率变小，分辨率亦降低10. 在下列激发光源中,何种光源要求试样制成溶液？( )(1)火焰(2)交流电弧(3)激光微探针(4)辉光放电11. 用发射光谱进行定性分析时,作为谱线波长的比较标尺的元素是( )(1)钠(2)碳(3)铁(4)硅12. 基于发射原理的分析方法是( )(1) 光电比色法(2) 荧光光度法(3) 紫外及可见分光光度法(4) 红外光谱法13. 发射光谱法用的摄谱仪与原子荧光分光光度计相同的部件是( )(1)光源(2)原子化器(3)单色器(4)检测器14. 下面哪些光源要求试样为溶液, 并经喷雾成气溶胶后引入光源激发？( )(1) 火焰(2) 辉光放电(3) 激光微探针(4) 交流电弧15. 发射光谱分析中, 具有低干扰、高精度、高灵敏度和宽线性范围的激发光源是( )(1) 直流电弧(2) 低压交流电弧(3) 电火花(4) 高频电感耦合等离子体16. 电子能级差愈小, 跃迁时发射光子的( )(1) 能量越大(2) 波长越长(3) 波数越大(4) 频率越高17. 光量子的能量正比于辐射的( )(1)频率(2)波长(3)传播速度(4)周期18. 下面哪种光源, 不但能激发产生原子光谱和离子光谱, 而且许多元素的离子线强度大于原子线强度？( )(1)直流电弧(2)交流电弧(3)电火花(4)高频电感耦合等离子体19. 下面几种常用激发光源中, 分析灵敏度最高的是( )(1)直流电弧(2)交流电弧(3)电火花(4)高频电感耦合等离子体20. 下面几种常用的激发光源中, 最稳定的是( )(1)直流电弧(2)交流电弧(3)电火花(4)高频电感耦合等离子体21. 连续光谱是由下列哪种情况产生的？( )(1)炽热固体(2)受激分子(3)受激离子(4)受激原子22. 下面几种常用的激发光源中, 分析的线性范围最大的是( )(1)直流电弧(2)交流电弧(3)电火花(4)高频电感耦合等离子体23. 下面几种常用的激发光源中, 背景最小的是( )(1)直流电弧(2)交流电弧(3)电火花(4)高频电感耦合等离子体24.下面几种常用的激发光源中, 激发温度最高的是( )(1)直流电弧(2)交流电弧(3)电火花(4)高频电感耦合等离子体25. 仪器分析实验采用标准加入法进行定量分析, 它比较适合于( )(1) 大批量试样的测定(2) 多离子组分的同时测定(3) 简单组分单一离子的测定(4) 组成较复杂的少量试样的测定26. 原子发射光谱仪中光源的作用是( )(1) 提供足够能量使试样蒸发、原子化/离子化、激发(2) 提供足够能量使试样灰化(3) 将试样中的杂质除去,消除干扰(4) 得到特定波长和强度的锐线光谱27. 用原子发射光谱法直接分析海水中重金属元素时, 应采用的光源是( )(1) 低压交流电弧光源(2) 直流电弧光源(3) 高压火花光源(4) I CP光源28. 矿物中微量Ag、Cu的发射光谱定性分析应采用的光源是( )(1) I CP光源(2) 直流电弧光源(3) 低压交流电弧光源(4) 高压火花光源29. 几种常用光源中，产生自吸现象最小的是( )(1) 交流电弧(2) 等离子体光源(3) 直流电弧(4) 火花光源30. 原子光谱(发射、吸收与荧光)三种分析方法中均很严重的干扰因素是( )(1)谱线干扰(2)背景干扰(3)杂散干扰(4)化学干扰31. 三种原子光谱(发射、吸收与荧光)分析法在应用方面的主要共同点为( )(1)精密度高,检出限低(2)用于测定无机元素(3)线性范围宽(4)多元素同时测定32. 低压交流电弧光源适用发射光谱定量分析的主要原因是( )(1) 激发温度高(2) 蒸发温度高(3) 稳定性好(4) 激发的原子线多33. 在进行发射光谱定性分析时, 要说明有某元素存在, 必须( )(1) 它的所有谱线均要出现,(2) 只要找到2～3条谱线,(3) 只要找到2～3条灵敏线,(4) 只要找到1条灵敏线。
原子物理与光谱学绪论1
绪 论
经典理论
物体的运动是连续的，物体性质的变化也 是连续的假设引出经典理论——牛顿力学 和麦克斯韦电磁场理论，且已经被大量的 实验所证实。 力学、热学、电磁学和光学属于经典物理 学课程。 最大特点是有清晰的物理图像，鲜明的物 理思想，通过建立具体的物理模型去把握 所研究的对象
4
绪 论
什么是量子
绪 论
光谱技术发展现状
光谱技术与激光技术的结合，使光谱分辨率 达到了10-8Hz以下，时间分辨率接近10-12s， 空间分辨达到光谱波长的数量级，实现了光 谱在时间、空间上的高分辨率。
激光的功率密度已达到108W/cm2 以上，光波 电场场强已经超过原子的内场场强，强激光 与原子相互作用产生了饱和吸收和双光子、 多光子吸收等现象，产生了非线性光谱学， 等等
量子是自然的一种本性——分立性或非连续 性，量子的历史就是人们研究这种非连续性 的探险历程 量子的发现历史，说明了量子的发现是如何 的艰难，也说明了顽固的偏见是多么难以抗 拒。 从芝诺悖论到双缝实验，使人对连续运动的 真实存在提出了质疑。 对于每一个仍然对自然充满好奇的现代人来 说，不理解量子，就无法理解我们身边的世 界。
绪 论
原子物理学属近代物理学课程，研究原 子的电子结构、原子光谱、原子之间或 与其他物质的碰撞过程和相互作用，是 微观物理。 掌握原子世界的基本规律，关注物理学 家们那种创造性研究问题的思想和方法， 以培养自己的创新能力。
绪 论
原子物理的研究手段
理论上是半量子理论 大量的实验现象的总结 电子显微镜 原子力显微镜（AFM） 光谱技术 X射线晶体衍射 ……
绪 论 理性质、分子间的相互 作用。 与原子物理学、凝聚态物理学以及物理化学、 化学动力学、量子化学等关系密切。 分子结构涉及组成它的各个原子的平衡几何 配置，及分子各组成部分的相互作用——化 学键。 分子的物理性质与分子的化学结构有关。 量子力学是研究化学键本质、分子的物理性 质，以及分子间相互作用的基本理论。
谱学导论知识点总结
谱学导论知识点总结一、光谱学的基本原理1. 光谱学的基本概念光谱学是研究物质对不同波长的光的吸收、发射、散射和旋转的学科。
根据物质对光的作用过程，光谱学可以分为吸收光谱学、发射光谱学和散射光谱学三大类。
2. 物质对光的相互作用物质对光的相互作用包括吸收、发射和散射三种过程。
吸收是指物质吸收光能使得其内部电子激发或跃迁，发射是指物质受激而产生的光辐射，散射是指物质对入射光的重新分布，包括拉曼散射、光弹性散射等。
3. 分子的谱学分子的谱学包括振动光谱、转动光谱和电子光谱等。
振动光谱是研究分子振动能级的谱学，转动光谱是研究分子转动能级的谱学，电子光谱是研究分子电子能级的谱学。
4. 原子的谱学原子的谱学包括光吸收谱、光发射谱和原子荧光谱等。
光吸收谱是研究原子的电子能级的谱学，光发射谱是研究原子受激而产生的辐射的谱学，原子荧光谱是研究原子受激而发射的荧光的谱学。
5. 能级的结构和谱线的形成能级的结构是指不同能级之间的跃迁和能级的分布，谱线的形成是指分子或原子在不同能级之间跃迁形成的光谱线。
能级的结构和谱线的形成是光谱学研究的重要内容。
6. 光谱仪器的原理光谱仪器主要包括光源、光栅或棱镜、检测器等部分。
光源产生光，光栅或棱镜分离入射光的不同波长，检测器检测分离后的光信号。
光谱仪器的原理是实现光谱测量的基础。
二、各种光谱学方法的原理与应用1. 吸收光谱法吸收光谱法是通过测量物质对入射光的吸收来研究物质的光谱特性，包括紫外可见吸收光谱和红外吸收光谱两大类。
紫外可见吸收光谱主要用于研究有机物，红外吸收光谱主要用于研究无机物和大分子有机物。
2. 荧光光谱法荧光光谱法是通过测量物质受激而产生的荧光来研究物质的光谱特性，包括荧光光谱和磷光光谱两大类。
荧光光谱主要用于研究有机物，磷光光谱主要用于研究无机物和大分子有机物。
3. 拉曼光谱法拉曼光谱法是通过测量物质对入射光的拉曼散射来研究物质的光谱特性，包括拉曼散射光谱和共振拉曼光谱两大类。
第一章光分析导论
第一章 光分析导论1.1 电磁辐射和电磁波谱 1.1.1. 电磁辐射：一种高速度通过空间传播的光量子流,它具有波粒二 象性。
EL = h ν = h c / λ = h c σEL为能量，单位为J或ev，1ev = 1.602 × 10-19 J h为普朗克常数6.626 × 10-34J.s； ν为频率，单位为Hz,即s-1；c为光速3 × 1010 cm.s-1 ; λ为波长，单位nm或Å(10-10 m); σ为波数，单位cm-1。
[例] 某电子在两能级间跃迁的能量差为4.969 × 10-19 J，求其波长为多少纳米？其波数为多少？[解] 由 ΔE = h ν = h c / λ 得λ = h c / ΔE10-19= 6.626 × 10-34× 3 × 1010 / 4.969 ×= 4 × 10-5 cm= 400 nmσ = 1 / λ = 1 / 4 × 10-5 cm = 25000 cm-11.1.2. 电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列称为电磁波谱。
它反映了物质内能量的变化，任一波长光子的 能量与物质内的原子或分子的能级变化（ΔE） 相对应，它们之间的关系为：ΔE = E1-E2 = EL = h ν = h c / λ表1-1 电磁波谱能量高低 高能辐射 中间部分长波部分典型的光谱学 γ射线 X射线 真空紫外 紫外可见 红外 微波电子自旋共振 核磁共振波长范围 0.005-1.4 Å 0.1-100 Å 10-180 nm 180-780 nm 0.78-300 um 0.75-3.75 mm3 cm 0.6-10 m跃迁类型 核能级 内层电子 价电子 价电子 分子的转动和振动 分子的转动 磁场中电子的自旋 磁场中核的自旋1.2 原子光谱和分子光谱1.2.1 原子光谱：原子核外电子在不同能级间跃迁而产生的 光谱，它包括原子发射、原子吸收和原子荧光 光谱等等。
高考物理选修知识点知识讲解原子光谱
原子光谱编稿：张金虎 审稿：吴楠楠【学习目标】1．知道光谱、发射光谱、吸收光谱、光谱分析等概念；2．明确光谱产生的原理及光谱分析的特点；3．知道氢原子光谱的实验规律．4．了解玻尔原子模型及能级的概念；5．理解原子发射和吸收光子的频率与能级差的关系；6．知道玻尔对氢光谱的解释以及玻尔理论的局限性．7．了解激光产生的原理；8．了解激光的特性；9．了解激光在日常生活中的应用．【要点梳理】要点一、氢原子光谱1．光谱用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长（频率）成分和强度分布的记录，即光谱．用摄谱仪可以得到光谱的照片．物质的光谱按其产生方式不同可分为两大类：（1）发射光谱——物体直接发出的光通过分光后产生的光谱．它又可分为连续光谱和明线光谱（线状光谱）．①连续光谱一一由连续分布的一切波长的光（一切单色光）组成的光谱。
炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱，如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱．②明线光谱——只含有一些不连续的亮线的光谱．它是由游离状态的原子发射的，因此也叫原子光谱．稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱．实验证明，每种元素的原子都有一定特征的明线光谱。
可以使用光谱管观察稀薄气体发光时的明线光谱．不同元素的原子产生的明线光谱是不同的，但同种元素原子产生的明线光谱是相同的，这意味着，某种物质的原子可从其明线光谱加以鉴别．因此称某种元素原子的明线光谱的谱线为这种元素原子的特征谱线．（2）吸收光谱——高温物体发出的白光通过温度较低的物质时，某些波长的光被该物质吸收后产生的光谱．这种光谱的特点是在连续光谱的背景上由若干条暗线组成的．例如太阳光谱就是太阳内部发出的强光经温度较低的太阳大气层时产生的吸收光谱．实验表明，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该原子的明线光谱中的一条明线相对应．即某种原子发出的光与吸收的光的频率是特定的，因此吸收光谱中的暗线也是该元素原子的特征谱线．2．光谱分析由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析．做光谱分析时，可以利用明线光谱，也可以利用吸收光谱．这种方法的优点是非常灵敏而且迅速．某种元素在物质中的含量达克，就可以从光谱中发现它的特征谱线将其检测出来．光谱分析在科学技术中有广泛的应用：（1）检查物体的纯度；（2）鉴别和发现元素；（3）天文学上光谱的红移表明恒星的远离等．3．氢原子光谱线氢原子是自然界中最简单的原子，通过对它的光谱线的研究，可以了解原子的内部结构和性质． 氢原子光谱线是最早发现、研究的光谱线．1010－为平行光管，由两部分组成，一端有狭缝，另一端有凸透镜，狭缝到凸透镜的距离等于一倍焦距，狭缝入射的光经凸透镜后变成平行光线，射到三棱镜上．通过折射将不同颜色的光分开．B MN通过望远镜筒可以观察光谱，在上放上底片还可以拍摄光谱．式中对每一个，有构成一个谱线系．令，，上式可变为：． 要点诠释：称为波数，即波长的倒数．称为光谱项．（1）氢光谱是线状的，不连续的，波长只能是分立的值．（2）谱线之间有一定的关系，可用一个统一的公式（也称广义巴耳末公式）表达：每一个谱线的波数都可以表达为两个光谱项之差．6．其他原子的原子光谱（1）氢原子光谱是线状的，即辐射的波长具有分立性．氢原子是自然界中最简单的原子．对它的光谱线的研究所获得的原子内部结构的信息对研究其他复杂原子的结构具有指导意义．（2）科学家观察了大量的其他原子的原子光谱，发现每种原子都有自己特定的光谱．不同的原子，其原子光谱均不相同．和氢原子一样，其他原子的光谱线的波数也可以表示为两个光谱项之差，所不同的是，它们的光谱项的形式要复杂一些．（3）通过分析研究大量的原子光谱，可以得到一个共同的规律，那就是各种原子辐射的光波鄙是线状光谱，波长具有分立性，只能是不连续的分立值．7．光谱到底是什么正如菜谱是菜名的排列，家谱是家族人名的排列一样，光谱也是一种排列，是不同波长的谱线的排列，线状谱中这些谱线是不连续的，表现为分立的不同颜色的亮线，连续谱是各种波长的谱线连在一起形成的，表现为连续的彩色光带．要点二、玻尔的原子模型（能级结构）1．卢瑟福模型和经典电磁理论的困难卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了粒子散射实验．但是经典理论既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征．困难具体表现为：（1）按照经典物理学的观点，带有电荷的电子在轨道上做变速运动，一定会以电磁波的形式向外辐射能量，电子的能量会减小，轨道半径会不断变小，最终落在原子核上．即原子是不稳定的．这与实际情况不符，实际上原子是稳定的．（2）按照经典物理学的观点，电子辐射电磁波的频率应等于其振动或圆周运动的频率．由于电子轨道的变化是连续的，辐射电磁波的频率也会连续变化．即我们看到的原子光谱应该总是连续的，但实际测定的结果是电磁波的频率不是连续的，原子光谱是分立的线状谱．由以上所述可知微观物体的变化规律不能用从宏观现象中得出的经典理论加以说明，为了解决这一矛盾，丹麦的青年物理学家玻尔在前人学说的基础上，把普朗克的量子理论应用于原子系统中，提出了新的原子理论——玻尔原子理论．2．玻尔原子模型玻尔认为，围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，这种现象叫做轨道量子化；不同的轨道对应着不同的状态，在这些状态中，尽管电子在做变速运动，却不辐射能量，因此这些状态是稳定的；原子在不同的状态中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的．将以上内容进行归纳，玻尔理论有三个要点：（1）原子只能处于一系列的不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的．电子虽然绕核旋转，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态．123m = ，，，m 123n m m m =+++ ，，，1νλ=2()R T m m =2()R T n n =()()T m T n ν=-νT α（2）原子从一种定态（能量为）跃迁到另一定态（能量为）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即．可见，电子如果从一个轨道到另一个轨道，不是以螺旋线的形状改变半径大小的，而是从一个轨道上“跳跃”到另一个轨道上，玻尔将这种现象称为跃迁．（3）原子的不同能量状态对应于电子沿不同圆形轨道运动．原子的定态是不连续的，因而电子的可能轨道是分立的（满足，叫量子数，这种轨道的不连续现象叫轨道量子化）．轨道半径．（对于氢原子）3．能级在玻尔模型中，原子的可能状态是不连续的，因此各状态对应的能量也是不连续的．这些能量值叫做能级．各状态的标号叫做量子数，通常用表示．能量最低的状态叫做荩态，其他状态叫做激发态，基态和各激发态的能量分别用表示．（1）氢原子的能级．对氢原子而言，核外的一个电子绕核运行时，若半径不同，则对应着的原子能量也不同，若使原子电离，外界必须对原子做功，使电子摆脱它与原子核之间的库仑力的束缚，所以原子电离后的能量比原子其他状态的能量都高．我们把原子电离后的能量记为0，即选取电子离核处于无穷远处时氢原子的能量为零，则其他状态下的能量值就是负的．原子各能级的关系为：．对于氢原子而言，基态能量：，其他各激发态的能量为：，，（2）能级图．氢原子的能级图如图所示．m E n E m n h E E ν=-2h nvr nπ=n 21n r n r =1010.5310m r =⨯－123 、、、n 123E E E 、、、12123n E E n n == （，，，）113.6 eV E =－2 3.4 eV E =－31.51 eV E =－要点诠释：①由能级图可知，由于电子的轨道半径不同，氢原子的能级不连续，这种现象叫能量量子化．②原子的能量包括：原子的原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能．③原子从基态跃迁到激发态时要吸收能量，而从激发态跃迁到基态则以光子的形式向外放出能量．无论是吸收能量还是放出能量，这个能量值不是任意的，而是等于原子发生跃迁的这两个能级问的能量差．为发出光子的频率．④对应于基态，对应于原子的电离．．弗兰克—赫兹实验）如果原子的能级是分立的，那么用碰撞的方式使原子吸收的能量，即其他粒子转移给原子的能量，也应该是量子化的．1914年，弗兰克和赫兹采用电子轰击汞原子，发现电子损失的能量，也就是汞原子吸收的1n =n →∞要点诠释：由于原子的能级是一系列不连续的值，则任意两个能级差也是不连续的，故原子只能发射一些特定频率的光子，同样也只能吸收一些特定频率的光子．但是，当光子能量足够大时，如光子能量时，则处于基态的氢原子仍能吸收此光子并发生电离．6．原子能级跃迁问题跃迁是指电子从某一轨道跳到另一轨道，而电子从某一轨道跃迁到另一轨道对应着原子就从一个能量状态（定态）跃迁到另一个能量状态（定态）．（1）跃迁时电子动能、原子势能与原于能量的变化．当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能减小，电子动能增大，原子能量减小．反之，轨道半径增大时，原子电势能增大，电子动能减小，原子能量增大．（2）使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子．原子若是吸收光子的能量而被激发，则光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收．不存在激发到时能量有余，而激发到时能量不足，则可激发到的问题．原子还可吸收外来实物粒子（例如自由电子）的能量而被激发，由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值（），均可使原子发生能级跃迁．7．原子跃迁时需注意的几个问题（1）注意一群原子和一个原子．氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了．（2）注意直接跃迁与间接跃迁．原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁．两种情况的辐射（或吸收）光子的频率可能不同．（3）注意跃迁与电离．原子跃迁时，不管是吸收还是辐射光子，其光子的能量都必须等于这两个能级的能量差．若想把处于某一定态上的原子的电子电离出去，就需要给原子一定的能量．如基态氢原子电离（即上升），其电离能为，只要能量等于或大于的光子都能被基态氢原子吸收而电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的电子具有的动能越大．8．氢原子核外电子绕核运动的轨道与其能量对应关系在氢原子中，电子围绕原子核运动，如将电子的运动轨道看做半径为的圆周，则原子核与电子之间的库仑力为电子做匀速圆周运动所需的向心力，那么由库仑定律和牛顿第二定律，有，则电子运动速度； ①电子的动能为 ； ②电子运动周期为：13.6 eV E ≥p E 2n =3n =2n =m n E E E =－n =∞13.6 eV 13.6 eV r 222()e ke r m v r =／／2e e v k m r=22122k ke E mev r==； ③电子在半径为的轨道上所具有的电势能为,（）； ④等效电流； ⑤原子的总能量就是电子的动能和电势能的代数和，即． ⑥要点诠释：将②④⑥式比较可得： （1）某定态时，核外电子的动能总是等于该定态总能量的绝对值，原子系统的电势能。
习题课-第一章第一节能层与能级 基态与激发态 原子光谱
2．金属元素的焰色试验中，不同金属元素呈现不同焰色的原因是什么？
提示：当金属及其盐在火焰上灼烧时，金属原子或离子中的电子吸收了能量，从能量较 低的能级跃迁到能量较高的能级，但处于能量较高能级上的电子是不稳定的，很快跃迁 回能量较低的能级，这时就将多余的能量以光的形式放出。而放出的光的波长在可见光 范围内(波长为400～760 nm)，因而能使火焰呈现出颜色。金属元素的原子或离子结构不
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5．(1)理论研究证明，多电子原子中，同一能层的电子，能量也可能不同， 可以把它们分成不同能级，第三能层有3个能级，分别为__3_s_、__3_p_、__3_d__。 (2)在同一原子中，能层序数(n)越小的能层能量_越__低____(填“越低”或“越 高 ”) 。 在 同 一 能 层 中 ， 各 能 级 的 能 量 按 s 、 p 、 d 、 f 的 顺 序 __递__增____( 填 “递增”或“递减”)。 解析：多电子原子中，每个能层含有与能层序数相同的能级，能量由低到 高按s、p、d、f……的顺序依次排列。
同，电子跃迁时能量变化不同，则放出的光的波长不同，所呈现的焰色也就不同。
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1．(2022·泉州第六中学高二月考)下列现象和应用与电子跃迁无关的是
√ ( )A．激光 B．石墨导电 C．霓虹灯光 D．原子光谱
解析：激光、霓虹灯光、原子光谱与原子核外电子跃迁有关，石墨是层状
结构，石墨导电是层间电子的自由移动，与电子跃迁无关，故选B。
3．(2022·成都高二检测)下列能级符号书写错误的是( )
A．4f √B．2d C．5s D．3p
解析：s能级在每一能层上都有，p能级至少在第二能层及以上才有，d能
级至少在第三能层及以上才有，f能级பைடு நூலகம்少在第四能层及以上才有。
《谱学导论》各章习题+参考答案
第一章 习 题1.127I 35Cl 的转动常数是0.1142 cm -1，计算ICl 的键长。
2. 12C 16O 2的转动常数是0.39021 cm -1。
计算分子的键长。
3. 已知14N 16O 的键长是115 pm 。
计算该分子23←=J 跃迁的纯转动光谱的频率。
4. 计算12C 16O 分子12←=J 纯转动跃迁的频率。
已知分子的键长是112.81 pm 。
5. 已知35Cl 19F 转动常数是1.033 cm -1，计算分子的转动惯量和键长。
6. 下列那些分子有纯转动光谱？H 2、HCl 、CH 4、CH 3Cl 。
7. 下列那些分子有红外吸收光谱？O 2、CCl 3-CCl 3、HF 、CO 2。
8.35Cl 2的振动基频是564.9 cm -1，计算分子化学键的力常数。
9. 79Br 81Br 振动基频是323.2 cm -1。
计算分子化学键的力常数。
10. 拉曼光谱的入射频率是20487 cm -1，计算O 2分子02←=J 的Stokes 线的波数。
11. 拉曼光谱的入射频率是20623 cm -1，计算N 2分子24←=J 的Stokes 线的波数。
12. 实验测定得到H 2和D 2在入射波长为488.0 nm 的激光照射下的大拉曼位移分别是612.1 nm 和571.4 nm 。
计算他们的力常数并说明力常数变化不大的原因。
13. 对下列点群，写出给定直积表示的特征标，并约化成不可约表示的直和：（1） C 2h 点群：g u B A ⊗（2） C 4v 点群：E B A ⊗⊗2214. 求积分⎰ΓΓτψψd F j i ˆ不等于零时，F ˆ应该属于那些不可约表示？ （1）D 3点群：2A i =Γ，E j =Γ （2） C 2v 点群：2A i =Γ，2B j =Γ15. 画出乙炔分子所有可能的简正振动方式，并指出哪些是有红外活性的，哪些没有？16. 写出下列分子的基态和第一激发态的电子谱项，并根据选律判断，哪些跃迁是允许的，哪些是禁阻的？（1）H 2；（2）LiH ；（3）N 217. HCl 分子的光谱学解离能e D =5.33eV ，7.2989~=νcm -1，νχ~e=52.05 cm -1。
笔记--光谱分析法
2.1.4.2 发射
2. 分子发射 与分子外层电子能级、 振动能级和转动能级相关。 激发不能采用电热等 极端形式，而采用光激发 或化学能激发。 基本上处于紫外、可 见和红外光区，因此, 分子 主要发射紫外、可见电磁 辐射，据此建立了荧光光 谱法、磷光光谱法和化学 发光法。
图2-8 分子发射示意图
2.1.4.2 发射
2.1.4.1 吸收
由于振动能级相同但转动能级不同的两个能级之 间的能量差很小，由同一能级跃迁到该振动能级相同 但转动能级不同的两个跃迁的能量差也很小，因此对 应的吸收频率或波长很接近，通常的检测系统很难分 辨出来，而分子能量相近的振动能级又很多，因此， 表观上分子吸收的量子特性表现不出来，而表现为对 特定波长段的电磁辐射的吸收，光谱上表现为连续光 谱。 分子的总能量Ｅ分子通常包括三个部分： Ｅ分子＝Ｅ电子＋Ｅ振动＋Ｅ转动
2.1.4.1 吸收
图2-3电子能级的吸收跃迁示意图
图2-4分子振动能级的吸收跃迁示意图
2.1.4.1 吸收
3. 磁场诱导吸收 将某些元素原子放入磁场，其电子和核受到强磁场的作用 后，它们具有磁性质的简并能级将发生分裂，并产生具有微小 能量差的不同量子化的能级，进而可以吸收低频率的电磁辐射。 以自旋量子数为1/2的常见原子核1H、13C、19F及31P等为 例，自旋量子数为1/2的能级实际上是磁量子数分别为+1/2和1/2但自旋量子数均为1/2的两个能级的简并能级，该两个能级 在通常情况下能量相同，只有在外磁场作用下，由于不同磁量 子数的能级在磁场中取向不同，因而与磁场的相互作用也不同， 最终导致能级的分裂。
4.1.4 原子吸收光谱法的特点
选择性好：谱线比原子发射少，谱线重叠概率小 。 灵敏度高：适用于微量和痕量的金属与类金属元素 定量分析。 精密度(RSD%)高：一般都能控制在5%左右。 操作方便和快速： 无需显色反应。 应用范围广。 局限性：不适用于多元素混合物的定性分析；对于 高熔点、形成氧化物、形成复合物或形成碳化物后 难以原子化元素的分析灵敏度低。
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在高温下, 在高温下,处于热力学平衡状态时的气 态体系中,单位体积中的基态原子数N 态体系中,单位体积中的基态原子数N0与激 发态原子数N 之间遵守Boltzmann分布定律. Boltzmann分布定律 发态原子数Ni 之间遵守Boltzmann分布定律.
gi Iij = A hνij N0 e ij g0
2)吸收线轮廓
原子结构较分子结构 简单, 简单 , 理论上应产生线状 光谱吸收线. 光谱吸收线. 实际上用特征吸收频 率左右范围的辐射光照射 时,获得一峰形吸收 具有一定宽度) (具有一定宽度) 表征吸收线轮廓( 的参数: 由:It=I0e-Kvb , 透射 表征吸收线轮廓(峰)的参数: 中心频率ν 峰值频率); 中心频率νO(峰值频率); 光强度 It和吸收系数及 最大吸收系数对应的频率或波; 最大吸收系数对应的频率或波; 中心波长: 中心波长: λ(nm) 辐射频率有关. 辐射频率有关. 半宽度: 半宽度:νO 以Kv与ν 作图: 作图:
五,元素光谱化学性质的规律性
1,激发能和电离能的周期性规律 , 2,灵敏线波长分布 , 主共振线波长最长: 主共振线波长最长: Cs 852.110nm 主共振线波长最短: He 58.433nm 主共振线波长最短: 3,光谱复杂程度的周期性 ,
与原子结构的关系:价电子数
参考资料
寿曼立 姜桂兰 仪器分析 原子光谱分析 地质出版社,1994 P1~50 褚圣麟 原子物理学,高教出版社, 武汉大学化学系 仪器分析 高等教育出版社,2002 第3章 P38~45
2,发射辐射强度: ,发射辐射强度: 单位体积发射光源中每秒辐射的能量,即辐射强度. 单位体积发射光源中每秒辐射的能量,即辐射强度. 表示. 以I(eV/scm)表示.若 每秒内自发辐射的原子数为 表示 dNm;则: ;
Amn为原子的跃迁几率. 为原子的跃迁几率.
代表对检测器的光源厚度, 若L 代表对检测器的光源厚度,并将式 Nm =N gm / Z exp(-Em/kT) 带入上式,则辐射强 带入上式, 度I为: 为
4)自吸变宽(见下图) )
自吸:由弧焰中心发射出来的辐射光, 自吸 由弧焰中心发射出来的辐射光,被外围的基态原子所吸 由弧焰中心发射出来的辐射光 收,从而降低了谱线的强度.此现象叫自吸. 从而降低了谱线的强度.此现象叫自吸.
自吸与自蚀
自蚀:自吸严重时, 自蚀:自吸严重时,中心 部分的谱线 将被吸收很多 ,从而使原来的一条谱线 分裂成两条谱线, 分裂成两条谱线,这个现 象叫自蚀 .
—————————————————————————
E5 -0.54 布喇开系 E -0.80 4 E3 -1.50 E2 -3.38
帕刑系
—————————————————————————
巴尔末系
——————————————————————————
莱曼系
————————————————————————————
E1 -13.53
(动画)
原子由激发态回到基态(或跃迁到较低能级) 原子由激发态回到基态(或跃迁到较低能级)时,若此以光的形式 放出能量,就得到了发射光谱. 放出能量,就得到了发射光谱.其谱线的波长决定于跃迁时的两个能级 的能量差, 的能量差,即: △E=E2-E1=hc/λ=hⅴ ⅴ λ= hc/△E △
Ⅰ篇
主要内容: 主要内容:
光谱学分析方法
第1章 光谱分析法导论 章 第2章 原子吸收光谱分析法 章 第3章 UV-VIS分光光度法 章 分光光度法 第4章 红外吸收光谱分析 章
第1章 光谱分析法导论
光谱分析法是光学分析法中的一种. 光谱分析法是光学分析法中的一种.光学分析法是 基于测量物质所发射或吸收的电磁波的波长和强度的分 析方法. 析方法.
1-1 电磁波谱和光谱分析法
一,电磁波与电磁波谱 1,电磁波的波动性和粒子性 , 2,电磁波谱 ,
二,光谱法
测量的信号是物质内部能级跃迁所产生的发射, 测量的信号是物质内部能级跃迁所产生的发射,吸收或散射光谱 的波长和强度的一类方法. 的波长和强度的一类方法. 包括: 包括:
Ⅰ 原子光谱 Ⅱ 分子光谱
1,原子发射光谱法 , 2,原子荧光光谱法 , 3,X射线光谱法 , 射线光谱法 4,原子吸收光谱法 , 吸收光谱 发射光谱
原子光谱
1,紫外-可见分子吸收光谱法 ,紫外 可见分子吸收光谱法 2,分子发光---荧光,磷光和化学发光 ,分子发光 荧光, 荧光 3,红外吸收光谱法 , 4,激光拉曼光谱法 ,
VD = 7.162 × 10 V0
7
T M
3)碰撞变宽 分为:劳伦兹变宽, 分为:劳伦兹变宽,赫鲁兹马克变宽 由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化. 由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化. 劳伦兹变宽:待测原子和其他原子碰撞. 劳伦兹变宽:待测原子和其他原子碰撞. 赫鲁兹马克变宽:同种原子碰撞. 赫鲁兹马克变宽:同种原子碰撞.
2,影响谱线变宽的因素: 影响谱线变宽的因素:
1)自然宽度 谱线固有的一定宽度. 谱线固有的一定宽度. 根据海森堡( W)测不准原理, 根据海森堡(Heisenberg W)测不准原理,粒子能量和 时间存在测不准关系.激发态原子的平均寿命俞长, 时间存在测不准关系.激发态原子的平均寿命俞长,谱线自 然变宽俞窄.(P42式 .(P42 然变宽俞窄.(P42式3-1) 2)多普勒变宽(温度变宽或热变宽) VD 多普勒变宽(温度变宽或热变宽) 多普勒效应:一个运动着的原子发出的光, 多普勒效应:一个运动着的原子发出的光, 如果运动方 向离开观察者(接受器) 则在观察者看来, 向离开观察者(接受器),则在观察者看来,其频率较静止 原子所发的频率低,反之, 原子所发的频率低,反之,高. 多普勒变宽的谱线频率(或波长)分布轮廓呈高斯曲线, 多普勒变宽的谱线频率(或波长)分布轮廓呈高斯曲线, 其 半宽度为: 半宽度为:
2,氢原子光谱 , 1)能级图:把原子系统内所有可能存在的量 )能级图 把原子系统内所有可能存在的量 子化能量用图解的形式表示出来,即能级图. 子化能量用图解的形式表示出来,即能级图.
————————————————————————— ——————————————末系 帕刑系 布喇开系
一,单电子原子的光谱 1,氢原子的能级 , 通常把电子在稳定状态所具有的能量称为能级. 通常把电子在稳定状态所具有的能量称为能级. 量子力学认为,对原子能级的描述, 量子力学认为,对原子能级的描述,是以粒子运动 的薛定谔方程为基础的. 的薛定谔方程为基础的. 主量子数 n=1, 2, 3…… 角量子数 l=0,1,2,…,( ) , , , ,(n-1) ,( 磁量子数 m=0,±1, ±2,…, ±l , , , , 自旋量子数 s=1/2
二,多电子原子光谱(自学) 多电子原子光谱(自学)
主要内容: 主要内容: 多电子原子能级 光谱项 光谱项的推求 原子光谱的产生
原子光谱的周期性
三,谱线强度
跃迁, 原子由某一激发态 i 向低能级 j 跃迁,所发射的谱线强度与激发态 原子数成正比. 原子数成正比. 在热力学平衡时,单位体积的基态原子数N 与激发态原子数N 在热力学平衡时,单位体积的基态原子数 0与激发态原子数 i的之 间的分布遵守玻耳兹曼分布定律. 间的分布遵守玻耳兹曼分布定律.
式中, 为较高能级的能量; 式中,E2为较高能级的能量; E1较低能级的能量; 较低能级的能量; h 为普朗克常数(6.626×10-34Js); 为普朗克常数( × ); λ为谱线的波长; 为谱线的波长; 为谱线的波长 ν为谱线的频率; 为谱线的频率; 为谱线的频率 c 为光速(3×1010cm/s) 为光速( × )
1-3 谱线强度的测量
一,仪器装置:光谱仪 仪器装置: 二,测量方式:光谱强度直读 测量方式: 谱线黑度测量
一,仪器装置:光谱仪 仪器装置:
1,光谱仪的基本结构 ,
四
1)外光路:S, L 2)平行光管: S1,O1 3)色散元件: 棱镜,光栅 4)暗箱:O2, F
(动画)
3,光栅 ,
光栅是在玻璃或金属片中刻有很多等距离, 光栅是在玻璃或金属片中刻有很多等距离,等宽的平 行刻线( 刻槽/mm)所构成.可以把它看成是一 行刻线(300-2000刻槽 刻槽 )所构成. 系列等宽等,距离的狭缝, 系列等宽等,距离的狭缝,光栅的色散作用是利用这些 狭缝对光的衍射和干涉来进行的. 狭缝对光的衍射和干涉来进行的. 1)光栅方程: )光栅方程: d(sin+sinθ)=nλ n为光谱级次, n=0, ±1, ±2, …;当光程差为 时,产 为光谱级次, 为光谱级次 ;当光程差为0时 生零级亮文,光程差为1λ时产生第一级亮文等 时产生第一级亮文等. 生零级亮文,光程差为 时产生第一级亮文等. d为光栅常数: 为光栅常数: 为光栅常数 为入射角,θ为衍射角 .角总是取正值,θ与角在 为入射角, 为衍射角 角总是取正值, 与 为入射角 法线同侧时, 取正值 在法线异侧, 取正值; 取负值. 法线同侧时,θ取正值;在法线异侧,则θ取负值. 取负值
分子光谱
1-2 原子光谱的产生
物质由同种或不同种原子组成, 物质由同种或不同种原子组成,每种原子都有一定的结 在一定条件下, 构.在一定条件下,气态原子能够从外界获得一定能量而被 激发,辐射出波长不连续的光谱,即称为原子光谱. 激发,辐射出波长不连续的光谱,即称为原子光谱.长期以 人们通过观察和研究物质所发射的原子光谱, 来,人们通过观察和研究物质所发射的原子光谱,揭示了谱 线产生的规律,阐述了谱线强度理论, 线产生的规律,阐述了谱线强度理论,并通过测量原子光谱 的波长和强度进行物质成分的分析.所以, 的波长和强度进行物质成分的分析.所以,与原子光谱分析 法直接相关的原子光谱理论, 法直接相关的原子光谱理论,主要指原子光谱的产生和谱线 强度理论,这就是光谱定性,定量分析的理论依据. 强度理论,这就是光谱定性,定量分析的理论依据. 量子力学认为,原子光谱的产生, 量子力学认为,原子光谱的产生,是原子发生能级跃 迁的结果,而跃迁几率的大小则影响谱线的强度,并决定了 迁的结果,而跃迁几率的大小则影响谱线的强度 并决定了 跃迁规则. 跃迁规则.