红外光谱测试报告

中国地质大学

研究生课程论文封面

课程名称傅里叶红外光谱测试技术和宝石学应用教师姓名

研究生姓名

研究生学号

研究生专业宝石学

所在院系珠宝学院

类别: A.博士 B.硕士 C.进修生

日期: 2011年 1月 3日

红外光谱测在宝石学上的应用

摘要：红外光谱分析作为波谱分析这一新鬟学科中最常见的技术之一，近年来在宝石学领域中得到了广泛的应用。在不需要制样、不破坏样品的情况下，红外光谱仪就能够在宝玉石种属的鉴别、优化处理的确定以及天然与合成宝石的区分方面发挥重要作用。能够很快又方便的解决一些常规仪器和传统方法不能解决的问题。本文是在查阅资料的基础上，利用傅里叶红外光谱测试了两块自有样品后，得出了相应的结论。通过对样品的测试和结论的讨论，掌握了利用红外光谱测试宝石技术，并且对其在宝石学上的应用做了简要的探讨，分析了它的优点和不足。

一、红外光谱概述

1.红外光谱基本概念

红外光谱是指物质在红外钱照射下，引起分子的振动能级和转动能级的跃迁而产生的光谱。分子的总能量由平动能量、振动能量、电子能量和转动能量四部分构成，若以连续波长中的红外线照射宝石．那么其间的元素、配位基和铬阴离子团便产生特征的振动和转动能级的跃迁．该能级在跃迁时．往往选择性吸收一定波长的电磁辐射，因而产生特征的吸收光谱。所测得吸收光谱称红外吸收光谱，简称红外光谱。

2.应用光谱区的划分

根据实验技术和应用的不同，通常把红外光谱划分成三个光谱区：近红外光谱区，波长0.8～2.5微米，主要用来研究O-H、c-H及N-N键的倍频吸收；中红外光谱区(基本振动一转动区)，波长2.5～25微米，它是宝石学应用研究最多的区域，该区的吸收主要是由分于的振动能级和转动能缎跃迁引起；远红外光谱区(转动区)，波长25～1000微米，分子的纯转动能级跃迁及晶体的晶格振动多出现在此区。

3.波长、频率和波数的关系

在红外光谱中，用波长和频率来表示谱带的位置，而更常用的是用波数表示。若波长以微米为单位，波数以cm-1为单位，它们之间的关系是γ（cm-1）=1/λ（cm）=104/λ（微米）。红外光谱属能量在1-0.01ev，波长为0.8-1000微米。相当于波数为12500cm-1至10cm-1的分子振动与转动光谱区。

二、分子振动转动光谱基本理论

1.双原子分子振动光谱

双原子分子的物理模型简单，当分子吸收红外光后，两个原子在连接轴线发生振动，它们之间产生的作用力可以用位移情况可以用胡克定律解释，通过数学计算可以得到关于化学键力常数和频率关系的公式：

γ=1/2 *π（k/m）1/2 （m为分子折合质量，k为化学键力常数）

从上式可知：化学键键强越大，原子折合质量越小，化学键振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。

由量子力学观点知道，分子振动能级是不连续的，而经常发生的是分子吸收能量后从基态到第一激发态的跃迁，与此对应的谱带称为基频吸收谱带，显示比较强的峰；由基态到第二、第三、第四等激发态之间的跃迁则称为泛频吸收谱带，显示弱峰；多原子分子中出现的倍频、组频是指多个基频吸收谱带的重叠或组合。

2.双原子分子转动光谱

当分子围绕某个轴以高频率速度转动，并且产生了偶极矩时，吸收红外光也会在红外谱区

出现吸收峰。转动光谱和转动常数、转动量子数有关。将分子当做刚性的，不计电子质量且原子核看成质点：

I=m

1m

2

/(m

1

+m

2

)re2（m为原子质量，re为原子间距）

E

转

=h2/8πI2*j（j+1）（j为转动量子数）

ΔE=2Bhc（j+1）（ΔE为分子增加的转动能量）

从上式可知：分子质量越大，分子转动惯量越大，转动常数就越大，转动光谱的谱线波长就越长，落在微波区。

3.双原子分子的振-转光谱

振动能级跃迁时总是伴随转动能级的跃迁发生，当用红外光照射自由分子时，就测不到单纯的分子振动谱线，而是由多根很近的谱线组成的宽吸收谱带。

4.多原子分子的简正振动和转动光谱

组成分子的多原子各自同时振动，以相同频率简谐或非简谐振动，即简正振动。振动形式有伸缩振动、变形振动。原子沿键轴方向伸缩，键长改变、面键角不变的振动称为伸缩振动（V），其又可分为对称振动（Vs）和反对称伸缩振动（Vas），一般情况下同一基团中反对称伸缩振动频率稍高于对称伸缩振动。当键角发生周期变化而键长不变的振动称变形振动（δ），其又可分为面内变形和面外变形振动。

简正振动数目由分子自由度确定，因为分子作为整体有三个平动自由度和三个转动自由度（线性分子两个），根据公式3N-6或3N-5就可以确定分子的基频吸收谱带。然而实际中并没有理论上这么多的基频吸收谱带，主要原因是:没有偶极矩变化的振动不产生红外吸收；相同频率的振动吸收重叠；仪器条件限制，不能区别频率接近的振动或吸收很弱。

由于多原子分子的转动惯量较大，而它们的转动能级间距比较小，所以很难观察到吸收光谱。多原子分子振动光谱的产生也有一定的要求，只有瞬间偶极矩变化的简正振动才能在红外光谱中看到。当分子的对称性很好时，会发生简并振动，导致红外谱峰减弱。与双原子分子一样，其红外谱图中除基频峰外，也有倍频、组频、泛频等峰。

三、傅里叶变换红外光谱仪原理

该仪器是通过对两束相干的光产生干涉，所得干涉图经傅里叶变换数值计算来测定光谱图的。使用连续波长的红外光源测定样品。样品中的分子选择性吸收某些波长的光。没有被吸收的光到达检测器，检测器将检测到的光信号经过模数转换，再经过傅里叶变换，即可得到样品的单光束光谱。为了得到样品的红外光谱，需要从样品的单光束光谱中扣除掉背景的单光束光谱，也就是测试无样品时得到的背景单光束光谱。这样得到的背景单光束光谱中包含了仪器内部各种零件和空气的信息。在测试样品的单光束光谱和测试背景的单光束光谱时，从样品的单光束光谱中扣除掉背景的单光束光谱后就得到样品的红外光谱。表现在红外光谱中，在被吸收的光的波数位置会出现吸收峰。某一波长的光被吸收得越多，透射率就越低，吸收峰就越强。当样品中分子吸收很多种波长的光时，在测得的红外光谱中就会出现许多吸收峰。

四、测试样品描述

本次试验选取黑色电气石原石和广州市场购买的翡翠观音挂件分别进行红外测试。用翡翠做红外透射测试，用电气石制作溴化钾压片透射测试。黑色电气石结晶形态呈复三方柱状，晶面纵纹发育不明显，可呈现一定程度的光滑平面，断口呈贝壳状。翡翠半透明，厚度在2-5mm，浅灰绿色。

五、实验步骤