光谱分析法概论

E = hν NA = h cν NA
的波长为200nm的光子的能量： 的光子的能量： [例1]：计算1mol的波长为 1]：计算 的波长为 的光子的能量
6.626 ×10-34J s × 3×1010cm/s ×6.023×1023/mol范围 × × 范围 200×10-7cm × = 5.98×105J/mol ×
吸收光谱法与发射光谱法
Absorption spectrometry and emission spectrometry
吸收光谱是物质吸收相应的辐射能而产生的光谱，其 吸收光谱是物质吸收相应的辐射能而产生的光谱， 是物质吸收相应的辐射能而产生的光谱 产生的必要条件是所提供的辐射能量恰好满足该吸收物质 两能级间跃迁所需的能量。 两能级间跃迁所需的能量。利用物质的吸收光谱进行定性 定量及结构分析的方法称为吸收光谱法。 定量及结构分析的方法称为吸收光谱法。根据物质对不同 波长的辐射能的吸收，建立了各种吸收光谱法。 波长的辐射能的吸收，建立了各种吸收光谱法。
图2 - 1
波参数
频率ν 一秒内电磁场振荡的次数，单位 。 频率ν：一秒内电磁场振荡的次数，单位Hz。 波长λ 是电磁波相邻两个同位相点之间的距离， 波长λ：是电磁波相邻两个同位相点之间的距离，单位有 cm、µm、nm。 、 、 。 电磁辐射传播的速度， 波速 υ：电磁辐射传播的速度，电磁辐射在不同介质中传 播速度是不同， 播速度是不同，只有在真空中所有电磁辐射的传播速度 才相同，都等于光速。 才相同，都等于光速。 c = λ ν = 3x1010 cm•s-1 波数σ 是单位长度内波的数目，常用单位为cm 波数σ: 是单位长度内波的数目，常用单位为 -1，SI制 制 单位为m 单位为 -1 。 σ = 1/ λ
红外吸收光谱法
透射的红外光
电子自旋共振波谱 法 核磁共振波谱法
10000~800000MHz 微波 60～500MHz射频
磁共振信号 磁共振信号
发射光谱是指构成物质的原子、 发射光谱是指构成物质的原子、离子或分子受到各种方式 是指构成物质的原子 的激发而产生的光谱，利用物质的发射光谱进行定性定量的方 的激发而产生的光谱， 法称发射光谱法。常见的发射光谱法有原子发射(atomic 法称发射光谱法。常见的发射光谱法有原子发射 原子发射 emission spectrometry)、原子荧光 、原子荧光(atomic fluorospectrometry)、 、 分子荧光(molecular fluoro-spectrometry)和磷光光谱法 分子荧光 和 (phosphorometry)等。 等
二、电磁波谱
电磁辐射按照波长 或频率 波数、能量)大小的顺序排列 电磁辐射按照波长(或频率、波数、能量 大小的顺序排列 波长 或频率、 就得到电磁波谱。 就得到电磁波谱。 电磁波谱的排列具有明显的规律性： 电磁波谱的排列具有明显的规律性： 规律性 1.波长逐渐增大，频率和光子能量逐渐减小 波长逐渐增大， 波长逐渐增大 2.各种电磁辐射不仅波长不同，产生的机理也不同： 各种电磁辐射不仅波长不同，产生的机理也不同： 各种电磁辐射不仅波长不同 高能辐射区 光学光谱区 波谱区
微粒性 根据量子理论，电磁辐射是在空间高速运动的 根据量子理论， 光量子(或称光子) 光量子(或称光子)流。可以用每个光子所具有的能 光子 量(E)来表征，单位为ev或J. (E)来表征，单位为ev或 来表征 ev
普朗克方程将电磁辐射的波动性和微粒性联系在一起。 普朗克方程将电磁辐射的波动性和微粒性联系在一起。 将电磁辐射的波动性和微粒性联系在一起 E=hν=h c/λ ν λ E：每个光子的能量； h：普朗克常数=6.626 ×10-34J s 每个光子的能量； ：普朗克常数 表示： 光子的能量可用 J 或 eV 表示： 1 eV=1.602×10-19 J， 1 J=6.241 ×1018 eV × ， 辐射的频率越高(波长越小 ，光子的能量就越高。 辐射的频率越高 波长越小)，光子的能量就越高。 波长越小 化学上常用J/mol为单位表示 为单位表示1mol物质所发射或吸收的能 化学上常用 为单位表示 物质所发射或吸收的能 量
电磁辐射的性质: 电磁辐射的性质:波粒二象性
波动性 电磁辐射是在空间传播着的交变电磁场，称之为 电磁辐射是在空间传播着的交变电磁场， 交变电磁场 电磁波。图2-1表示一束沿 轴方向传播的电磁波。电 表示一束沿x轴方向传播的电磁波 电磁波。 表示一束沿 轴方向传播的电磁波。 场矢量(E)在 轴方向周期性地变化 轴方向周期性地变化， 场矢量 在y轴方向周期性地变化，相应的磁场矢量 (H)在z轴方向上周期性地变化，均呈现出波动性质。 在 轴方向上周期性地变化 均呈现出波动性质。 轴方向上周期性地变化， 因为电矢量同物质中的电子相互作用，所以， 因为电矢量同物质中的电子相互作用，所以，一般只 用电矢量图来描述电磁辐射。 用电矢量图来描述电磁辐射。
分子光谱分析法
分 子 荧 光 光 谱 法 分 子 磷 光 光 谱 法 核 磁 共 振 波 谱 法
紫 外 光 谱 法

红 外 光 谱 法
光谱法和非光谱法
spectrum and non spectrum
光谱法——利用能级跃迁所产生的辐射能强度随波长变化 利用能级跃迁所产生的辐射能强度随波长变化 光谱法 利用能级跃迁 的图谱（光谱图）来进行定性、定量或结构分析的方法。 的图谱（光谱图）来进行定性、定量或结构分析的方法。吸 收、发射、散射光谱等等。 发射、散射光谱等等。 非光谱法——不涉及物质内部能级的跃迁，不以光的波长 不涉及物质内部能级的跃迁， 非光谱法 不涉及物质内部能级的跃迁 为特征讯号，仅通过测量电磁辐射的某些基本性质（反射、 为特征讯号，仅通过测量电磁辐射的某些基本性质（反射、 折射、干涉、衍射、偏振）的变化的分析方法。 折射、干涉、衍射、偏振）的变化的分析方法。
第一节 电磁辐射和电磁波谱
electromagnetic radiation and electromagnetic spectrum
一、电磁辐射
电磁辐射：以巨大的速度(真空中为光速)通过空间、 电磁辐射：以巨大的速度(真空中为光速)通过空间、 不需要任何物质作为媒介的一种能量(光量子流) 不需要任何物质作为媒介的一种能量(光量子流)。 范围：包括从γ射线到无线电波的所有范围， 范围：包括从γ射线到无线电波的所有范围，光是电 的所有范围 磁辐射的一部分。 磁辐射的一部分。
第三节 光学分析法的分类
type of optical analysis
光谱分析法 非光谱分析法 光谱分析法
圆 折 二 射 色 法 谱 法
X 射 干 旋 线 涉 光 衍 法 法 射 法
原子光谱分析法
原 子 吸 收 光 谱 原 子 发 射 光 谱 原 子 荧 光 光 谱 X 射 线 荧 光 光 谱
物质选择性吸收特定频率的辐射能， 物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从基 物质从激发态返回至基态， 物质从激发态返回至基态，并以光的形式释
态跃迁到激发态的过程。 态跃迁到激发态的过程。 放出吸收能量的过程。 放出吸收能量的过程。 入射光波长小于粒子的直径， (3) 散射 入射光波长小于粒子的直径，光子与试样分子 发生碰撞所至。 发生碰撞所至。 丁铎尔散射（溶胶1~100nm） 丁铎尔散射（溶胶1~100nm） 1~100nm 瑞利散射——无能量交换 无能量交换 瑞利散射 ，散射光频率不变，只是光子运动方向改变（弹性碰撞） 散射光频率不变，只是光子运动方向改变（弹性碰撞） 拉曼散射——有能量交换，光子的能量减少或增加，在瑞利 有能量交换，光子的能量减少或增加， 拉曼散射 有能量交换 散射线的两侧可观察到高于或低于入射光的散射线
方法名称 莫斯鲍尔(γ射线)光 谱法 X射线吸收光谱法 原子吸收光谱法 紫外可见吸收光谱 法
辐射源 γ射线 X射线 紫外可见光 远紫外光5～200nm 近紫外光200～360nm 200 360nm 可见光360～760nm 近红外光760~2500nm (13000~4000cm-1) 中红外光4000~400cm-1 远红外光50～500µm
第二章 光谱分析法概论
第一节 电磁辐射和电磁波谱 第二节 电磁辐射与物质的相互作用 第三节 第四节 第五节 第六节 光学分析法的分类 原子光谱和分子光谱 光谱分析仪器 光谱分析法的发展概况
光学分析方法（ 光学分析方法（optical analysis） ）
基于物质发射的电磁辐射(electromagnetic radiation )或“辐射 基于物质发射的电磁辐射 或 与物质相互作用” 与物质相互作用”之后产生的辐射信号或发生的信号变化等光 学特性，进行物质的定性和定量分析的方法。 学特性，进行物质的定性和定量分析的方法。 历史上，此相互作用只是局限于电磁辐射与物质的作用， 历史上，此相互作用只是局限于电磁辐射与物质的作用，这 也是目前应用最为普遍的方法。现在， 也是目前应用最为普遍的方法。现在，光谱方法已扩展到其它各 种形式的能量与物质的相互作用， 声波、粒子束（离子和电子） 种形式的能量与物质的相互作用，如声波、粒子束（离子和电子） 等与物质的作用。 等与物质的作用。
表
电 磁 波 谱
图
电 磁 波 谱
第二节 电磁辐射与物质的相互作用
reciprocity of electromagnetic radiation and matter
电磁辐射与物质的相互作用是复杂的物理现象。 电磁辐射与物质的相互作用是复杂的物理现象。 复杂的物理现象
(1) 吸收 (2) 发射
原子发射光谱法(atomic emission spectroscopy)气态金属原 原子发射光谱法 气态金属原 与高能量粒子碰撞受激发， 子 与高能量粒子碰撞受激发 ， 使 分子外层电子由基态跃迁到激 发态。 激发态的电子在极短时间内便返回到基态或其他较低的 发态 。 激发态的电子在 极短时间内便返回到基态或其他较低的 能级。 在返回过程中 ， 原子可 发射出一系列特征光谱线 ， 它们 发射出一系列特征光谱线， 能级 。 在返回过程中，原子可发射出一系列特征光谱线 按一定的顺序排列，保持一定强度比例 一定强度比例， 按一定的顺序排列 ， 保持 一定强度比例 ， 通过这些谱线的特征 来识别元素，测量谱线的强度来进行定量。 来识别元素，测量谱线的强度来进行定量。 金属原子和物质分子受电磁辐射激发 受电磁辐射激发后 金属原子和物质分子 受电磁辐射激发 后 ， 以发射辐射释放 能量返回基态，这种二次辐射称为荧光或磷光， 二次辐射称为荧光或磷光 能量返回基态 ， 这种 二次辐射 称为荧光或磷光 ， 根据所测量的 是由原子或分子发射的荧光、磷光谱线的波长和相应的强度， 是由原子或分子发射的荧光 、 磷光谱线的波长和相应的强度 ， 相应的技术分别叫原子荧光、分子荧光和分子磷光光谱法。 相应的技术分别叫原子荧光、分子荧光和分子磷光光谱法。