光学分析方法

109 波长， nm
电磁辐射波谱图
光谱类型
波长范围
波数范围 --1106-5104
0.005-1.4A -射线发射光谱 X- 吸收、发射、荧 0.1-100A 光、衍射光谱 真空紫外吸收光谱 10-180 nm
量子跃迁类 型 核 内层电子
外层键合电 子 UV-Vis 吸收、发射 180-780 nm 5104-1.3104 外层键合电 及荧光光谱 子 0.78-300 红外吸收 1.3104-33 分子振动-转 m 拉曼散射光谱 动 0.75-3.75 mm 13-27 微波吸收 分子转动 3 cm 0.33 电子自旋共振光谱 磁场中电子 自旋 0.6-10 m 1.710-2-1103 磁场中核自 核磁共振 旋
电场
y = A sin(t + ) = A sin(2vt + )
磁场
传播方向
光的传播
1）波的叠加（Superposition）
y
t 频率相同的正弦波叠加得相同频率的合 成正弦波
1/1
1/1
1/()
频率不同的正弦波叠加得不同频率的非正弦波； 更多的正弦波叠加可形成方波
2）光波的衍射（Diffraction）
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，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，如声波、粒子束（离子和电子）等与物质的作用 。
电磁辐射的描述
1. 光的波动性 电磁辐射为正弦波（波长、频率、速度、振幅）。与 其它波，如声波不同，电磁波不需传播介质，可在真空中 传输。
非光谱法是基于物质与辐射相互作用时， 测量辐射的某些性质，如折射、散射、 干涉、衍射、偏振等变化的分析方法。
本章主要介绍光谱法。 如果按照电磁辐射和物质相互作 用的结果，可以产生发射、吸收 和联合散射三种类型的光谱。
3. 光谱组成
线光谱(Line spectra):
由处于气相的单个原子发生电子能级跃迁所产生的 锐线光谱，线宽大约为10-4A。 带状光谱(Band spectra): 由气态自由基或小分子振动 - 转动能级跃迁所产生 的光谱，由于各能级间的能量差较小，因而产生的谱线 不易分辨开而形成所谓的带状光谱，其带宽达几个至几 十个nm)；
光学分析法及其分类
光学分析法可分为光谱法和非光谱法两大类。
光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生 量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的 波长和强度进行分析的方法。
光谱法可分为原子光谱法和分子光谱法。
原子光谱法是由原子外层或内层电子 能级的变化产生的， 它的表现形式为线光谱。属于这类分析方法的有原子发射光 谱法（AES）、原子吸收光谱法（AAS），原子荧光光谱法 （AFS）以及X射线荧光光谱法（XFS）等。 分子光谱法是由 分子中电子能级、振动和转动能级 的变 化产生的，表现形式为带光谱。属于这类分析方法的有紫外 -可见分光光度法（UV-Vis），红外光谱法（IR），分子荧 光光谱法（MFS）和分子磷光光谱法（MPS）等。
光学分析方法
第一章 光学分析方法导论
一、光学分析法及其分类 二、电磁辐射的描述 1. 光的波动性 2. 光的粒子性 三、电磁波谱 四、光谱仪器及其组成
1. 光源
2. 分光系统（棱镜和光栅、狭缝、光谱仪结构） 3. 吸收池 4. 光谱分析检测器
光学分析方法：
利用光电转换或其它电子器件测定“电磁 辐射与 物质相互作用”之后的辐射强度等光学特性，进行物 质的定性、定量及结构分析的方法。
三、电磁波谱
31010 1021 3108 1019 3106 1017 3104 1015 3102 1013 3100 1011 310-2 109 310-4 波数， cm-1 107 频率，Hz
X 射线
可见
微波
射线
紫外
红外
无线电ห้องสมุดไป่ตู้
10-4
10-2
100
102
104
106
108

平行光束
单缝衍射
双缝衍射
衍射：当一束平行光通过窄的开口如狭缝时发生弯曲的现象。
3） 光的干涉（Coherent interference）
当频率相同、振动方向相同、周相相等或周相 差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，会 产生波的干涉现象。通过干涉现象，可以得到明暗 相间的条纹。
4）光的折射（Refraction） 5） 光的反射（Reflection） 6） 光的传输（Transmission） 7）光的偏振（Polarization） 8）光的散射（Scattering）
2. 光的粒子性 当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时， 就会发生能量跃迁。此时，电磁辐射不仅具有波的特 征，而且具有粒子性，最著名的例子是光电效应现象 的发现。 1）光电效应（Photoelectric effect） 现象：1887，Heinrich Hetz（在光照时，两间隙间更 易发生火花放电现象） 解释：1905，Einstein理论，E=h 证明：1916，Millikan（真空光电管）
4.电磁波的发射—光谱图
AES
电弧 , 火花 , 火 焰, ICP
能量
原子 , 离子 , 激发 原子*,离子 *,分子* 分子
基态 激发态
UV,VIS,IR 发射
原子,离子, 分子
基态
X-ray
2） 能态（Energy state）
量子理论(Max Planck，1900)：
物质粒子总是处于特定的不连续的能量状态， 即能量是量子化的；处于不同能量状态粒子之间发生 能量跃迁时的能量差 E 可用 h 表示。 两个重要推论： 物质粒子存在不连续的能态，各能态具有特定 的能量。当粒子的状态发生变化时，该粒子将吸收或 发射完全等于两个能级之间的能量差； 反之亦是成立的，即 E =E1-E0=h
线光谱
带光谱
连续光谱(Continuum spectra)：
固体被加热到炽热状态时，无数原子和分子的 运动或振动所产生的热辐射，也称黑体辐射。通 常产生背景干扰。温度越高，辐射越强，而且短 波长的辐射强度增加得最快！ 另一方面，炽热的固体所产生的连续辐射是红 外、可见及较长波长的重要辐射源（光源）。