第三章 红外辐射源
红外光谱
为红外光谱法。
3.1 概述
远红外光区 （25 ~ 1000µ m） 该区的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动
跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架
振动以及晶体中的晶格振动所引起的。 由于低频骨架振动能很
灵敏地反映出结构变化，所以对异构体的研究特别方便。此外，
还能用于金属有机化合物（包括络合物）、氢键、吸附现象的
2.振动方程式（Hooke定律）
化学
键长
键能
力常数
波数范围
键
C―C
（nm）
0.154
（KJ mol-1）
347.3
k（N.cm-1）
4.5
（cm-1）
700～1200
C ＝C
0.134
610.9
9.6
1620～1680
C≡C
0.116
836.8
15.6
2100～2600
一些常见化学键的力常数如下表所示：
纵坐标：透过率（T %），表示吸收强度。T↓，表明吸收的
越好，故曲线低谷表示是一个好的吸收带。
3.3 分子振动与红外光谱
1.分子的振动方式
(1)伸缩振动：
沿轴振动，只改变键长，不改变键角
C
对称伸缩振动(νs) (2853 cm-1)
C
不对称伸缩振动 (vas) (2926 cm-1)
(2)弯曲振动：
第三章 红外光谱
郭海明 河南师范大学
3.1 概述
发展史
1800年英国的天文学家willam在测定太阳光内外的温度 效应时，发现了红外光的存在。
1903年（103年以后）找到了红外光的检测方法，红外光
红外辐射源
第四章红外辐射源4.1 腔体辐射理论基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体的辐射。
但是，实际用作标准的黑体型辐射源，都是开有小孔的空腔，小孔的辐射只能近似于黑体的辐射，由于从小扎入射的辐射总有一小部分从小孔选出，因此其发射率略小于l。
习惯上就把这种开有小孔的空腔叫做黑体源或称黑体炉。
腔体辐射理论是制作黑体源所涉及的基础．主要有哥福(Gouffe)理论、德法斯(De—vos)理论等。
给出黑体有效发射率的计算，从而描述开有小孔的空腔与绝缘黑体的差别或近似程度。
1.哥福(Gouffe)理论Gouffe在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的表达式。
用这个表达式，可对球形、圆柱形和圆锥形腔体的有效发射率进行理论上的计算。
尽管在推导中做了一些近似的假设，但是因它的表达式意义明确，使用方便，所以仍是广为应用的方法。
2.德法斯(Devos)理论Devos在1954年给出了黑体辐射源腔孔有效发射率的计算公式。
在该公式的推导中，不像Gouffe理论那样先推导吸收比，而是直接推导发射率；并且考虑的是任意形状的腔体，也没有假设腔壁是漫反射表面，所以一殷认为它是比较完善、比较系统的理论。
其结果，在等温腔腔壁为漫反射时(见图4—1)，与Gouffe 理论所得出的结果极为相近，但计算比Gouffe理论复杂很多。
2.黑体型辐射源黑体型辐射源作为标准辐射源，广泛地用做红外设备的绝对标准。
然而，我们知道，黑体是一种理想化的概念，在自然界并不存在绝对的黑体。
因此，按定义，我们也就不可能制作出一个绝对黑体。
由前面的讨论可知，开有小孔的空腔很接近黑体，所以通常就把开有小孔的空腔叫做黑体辐射源(或标准黑体辐射源)。
它可以作为一种标准来校正其他辐射源或红外系统。
典型的实用黑体型辐射源的构造如图4—2所示，其主要组成部分包括腔体、加热线圈、保温层、温度计和温度控制部分。
按辐射腔口的口径尺寸来分类，则可把黑体型辐射源分为以下三类：(1)大型：φ＞100 Mm。
红外辐射与红外探测器PPT优秀版
1．热敏电阻型探测器 热敏电阻有金属和半导体两种。金属热敏电阻，电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小，它的 电阻与温度的关系基本上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于温度的模拟测量。而半导体热敏电阻， 电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力较差， 所以多用于辐射探测，如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。 热敏电阻包括正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)和临界温度系数(CTC)三类。常见的是 NTC 型热 敏电阻，这种热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而制成的。热敏电阻一般制成薄片状，当红外 辐射照射在热敏电阻上时，其温度升高，内部粒子的无规律运动加剧，自由电子的数目随温度而增加，所 以其电阻减小。热敏电阻的灵敏面是一层由金属或半导体热敏材料制成的厚约 0.01 mm 的薄片，粘在一个 绝缘的衬底上，衬底又粘在一金属散热器上。使用热特性不 同的衬底，可使探测器的时间常数由大约 1 ms 变到 50 ms。 因为热敏材料本身不是很好的吸收体，为了提高吸收系数， 灵敏面表面都要进行黑化处理。热敏电阻型红外探测器结构 如图 8− 3 所示。 热敏电阻的电阻与温度关系为
热电偶型红外探测器的时间常数较大，所以响应时间较长，动态特性较差，被测辐射变化频率一般应 在 10 Hz 以下。
在实际应用中，往往将几个热电偶串联起来组成热电堆来检测红外辐射的强弱。
3．热释电型红外探测器 热释电型红外探测器是由具有极化现象的热释电晶体或称“铁电体”制作的。热释电晶体是压电晶体 中的一种，具有非中心对称的晶体结构。自然状态下，在某个方向上正负电荷中心不重合，在晶体表面形 成一定量的极化电荷，称为自发极化。晶体温度变化时，可引起晶体正负电荷中心发生位移，因此表面上 的极化电荷即随之变化，如图 8− 5 所示。铁电体的极化强度(单位表面积上的束缚电荷)与温度有关。通常 其表面俘获大气中的浮游电荷而保持电平衡状态。处于电平衡状态的铁电体，当红外线照射到其表面上时， 引起铁电体(薄片)温度迅速升高，极化强度很快下降，束缚电荷急剧减少；而表面浮游电荷变化缓慢，跟 不上铁电体内部的变化。从温度变化引起极化强度变化到在表面重新达到电平衡状态的极短时间内，在铁 电体表面有多余浮游电荷的出现，这相当于释放出一部分电荷，这种现象称为热释电效应。依据这个效应 工作的探测器称为热释电型探测器。
第三章 热辐射的基本规律
8hv 1 w d h K BT dv 3 c e 1
3
8hv 1 w h K BT 3 c e 1
3
以频率为变量 的普朗克公式
w ：单位体积、单位频率间隔内的辐射能，也就是
辐射场的光谱能量密度。 c c d 2 d
w
8hc
5
E
E
C1
5
e
C2 T
V E 2 3 3e c
维恩公式 实验曲线
维恩的公式只在高频（短波长）端和实验结果相符。
三，瑞利－金斯的黑体辐射公式
根据经典理论的能量均分定理，一个谐振子的能量
1 包含两个平方项，每个平方项的平均能量为: K BT 2 在 d 的频率范围内，可能的驻波模式数：
第三章 热辐射的基本规律
§3.1 发光的种类
1，化学发光 直接发光
简接发光
2，气体放电（电致气体放电发光） 辉光放电 低（气）压放电
弧光（电弧）放电 火花放电
常（气）压放电
3，场致发光（电致发光）：载流子复合发光 发光二极管（LED）
电致发光显示屏
4，电（子）激发发光 如：电子显象管 5，光致发光 6，热辐射 物体基于自身温度而向外发射的电磁辐射。 （温度辐射） 荧光
dP LdA cosd
dt时间内通过dA的能量为：
d dA cdt
dQ LdA cosddt
这些能量原来处在截 面积为dA，高为 cdtcosθ 的柱体内，所以 θ 方向的 辐射能量密度为：
dQ LdA cos ddt Ld dw dV dAcdt cos c
两种近似式在不同λT值的计算误差
第三章 地面和大气中的辐射过程(1)
大气窗口：考虑到各种气体吸收的综合影响，有某 些波段大气的吸收作用相对较弱 透射率较高 这 些波段大气的吸收作用相对较弱，透射率较高。这 些能使能量较易透过的波段叫大气窗口。 在可见光-红外区段，大气窗口有：0.3-1.3、1.5-1.8、 2.0-2.6、3.0-4.2、4.3-5.0、8-14 μm。 在微波区段，主要有8mm附近和频率低于20GHz 的波段。
图3.5 太阳光谱的能量分布
大气中有各种气体成分以及水滴、尘埃等 气溶胶颗粒，辐射在大气中传输时，要受到大 气的影响，其强度、传输方向以及偏振状态都 会发生变化。地球大气与辐射的相互作用主要 有吸收、散射和折射。由于折射过程与能量收 支问题关系较小，这里主要讲述吸收和散射的 作用。 作用
图辐射的吸收
大气对辐射的吸收是有选择的。吸收太阳短波 大气对辐射的吸收是有选择的 吸收太阳短波 辐射的主要气体是H2O，其次是O2和O3，CO2吸收 的不多 吸收长波辐射的主要是H2O，其次是 的不多。吸收长波辐射的主要是 其次是CO2和 O3。 水汽 H2O）的吸收带主要在红外区，几乎覆盖了 水汽（ 的吸收带主要在红外区 几乎覆盖了 大气和地面长波辐射的整个波段，吸收了约20%的太 阳能量，并使太阳光谱发生改变。最重要的吸收带在 能 并使太 谱发生 变 最 的 收带在 2.5-3.0、5.5-7.0和>12μm。液态水的吸收带和水汽相 对应 但波段向长波方向移动 对应，但波段向长波方向移动。 氧（ O2）的吸收主要在小于0.25 0 25 μm的紫外区， 的紫外区 太阳辐射在0.25 μm以下的能量不到0.2%，故O2吸 收的能量并不多。 收的能量并不多
M ,T A ,T f（ , T ）
如果有几种物体，在同一温度下，对同一波长的 吸收率分别为A1λ，T、 A2λ，T 、 A3λ，T 、 A4λ，T ，辐 射出射度为M1λ，T 、 M1λ，T 、 M1λ，T 、 M1λ，T ，则 有
红外光谱仪的原理及应用方法
红外光谱仪的原理及应用方法1. 红外光谱仪的原理红外光谱仪是一种用于分析样品中化学物质的仪器。
它基于红外光谱技术，通过测量样品在红外光波段的吸收特性，来确定样品中的化学物质的成分和结构。
红外光谱仪的原理主要包括以下几个方面：•红外辐射源：红外光谱仪使用的红外辐射源通常为热电偶或钨丝灯。
这些辐射源能够产生红外光波段的辐射光。
•样品室：红外光谱仪的样品室通常是一个封闭的空间，用于放置样品和测量光的传输。
样品室通常可以保持恒定的温度和湿度，以确保准确的测量结果。
•光学系统：红外光谱仪的光学系统主要包括红外光源、样品和检测器。
光源发出的红外光通过样品，被检测器接收并转换为电信号。
•检测器：红外光谱仪的检测器通常是一种能够测量红外光强度的器件。
常见的检测器包括热电偶、半导体探测器和光电倍增管。
检测器接收到的光信号经过放大和处理后，可用于生成红外光谱图。
•数据处理：红外光谱仪的数据处理部分主要包括光谱图的绘制和分析。
通过对光谱图进行峰值分析、峰位标定和谱图匹配，可以确定样品中的化学物质的种类和含量。
2. 红外光谱仪的应用方法红外光谱仪在化学、生物、医药、环保等领域有着广泛的应用。
下面列举几种常见的应用方法：2.1 定性分析红外光谱仪可以通过样品在红外光谱范围内的吸收特性，确定样品中存在的化学官能团和化学键。
通过与已知化合物的光谱图对比，可以判断未知样品的化学成分和结构。
2.2 定量分析红外光谱仪也可以用于定量分析。
通过测量红外光谱图中特定吸收峰的峰值强度与样品中物质浓度的关系，可以建立定量分析模型。
这种方法对于含有特定官能团的化合物的定量分析非常有效。
2.3 有机物鉴定红外光谱仪可以用于有机物的鉴定。
不同有机物在红外光谱图上有特征性的吸收峰，可以通过识别和比对特征峰来确定样品中有机物的种类和含量。
2.4 质谱结合将红外光谱仪与质谱仪结合可以得到更为详细的化学信息。
红外光谱提供了化学键类型和官能团的信息，而质谱则可以确定特定化合物的分子量和分子结构。
红外基础知识
辐射通过大气时，其辐射通量被衰减的过程，通常称为消光。一般来说，消 光现象是由于大气对辐射能的吸收和散射引起的。
消光系数 [extinction coefficient]
消光系数是为表示辐射通量的衰减（消光）而引进的参数。用下列公式表示：
式中，Φ0 为 L=0 处的辐射通量；Φ为传播到 L 处的辐射通量；L 为距离；σ为 消光系数。
理想的灰体在自然界也是不存在的，不过许多物体的辐射在一定程度上近似 于灰体，因此在应用上可以作为灰体来处理。
选择性辐射体 [selective radiator]
黑体或灰体的辐射光谱分布是连续的，而选择性辐射体辐射的光谱分布不同 于黑体和灰体。选择性辐射体的发射率随波长不同变化很大，在有些波段可较大， 甚至接近于 1；而在有的波段则很小，甚至几乎为零。因此其辐射光谱通常是一 些强弱相差较大的窄带。
在真空的大气中，实际上存在着各种大小不同的粒子，因此三种散射形式总是同 时存在的。
大气散射效应是指辐射（能量）在大气中传播时偏离其初始方向发生的散射 过程。大气分子的起伏和大气中悬浮的作无规则运动的微小水滴（形成云、雾、 雨）及固体微粒（尘埃、烟、冰晶等）是大气中的散射元。散射的强弱与大气中 散射元的浓度及散射元的特性和大小有密切关系。大气散射效应严重地衰减了传 输中的辐射能量，大大缩短了传输光程。
发射率 [emissivity]
发射率又名比辐射率，是用以描述所研究的实际辐射体相对于黑体的辐射能 力的一个物理量，是一个小于 1 的数。其定义为：实际物体的辐射本领（如辐射 强度、辐射功率等）与同温度下黑体辐射之比值，即
ε=I/Ib
式中，I 为实际物体的辐射强度；Ib 为黑体的辐射强度；ε 为 实际物体的发射率。
红外光谱的光源
红外光谱的光源红外光谱的光源是指用于产生红外光的光源装置。
红外光谱的应用广泛，包括材料分析、生物化学、气体检测、环境监测等领域。
在红外光谱的研究和应用中，光源的选择和性能对结果的准确度和可靠性具有重要影响。
本文将从辐射原理、光源类型和特点等方面综述红外光谱的光源。
辐射原理是光源产生红外光的基础。
根据辐射原理，物体具有热辐射能力，其辐射能力与温度有关。
当物体处于高温状态时，其产生的辐射能力比较强，包括可见光和红外光波段。
在红外光谱的研究中，通常选择能够产生较强红外辐射能力的光源。
常见的红外光谱光源主要包括光电子热辐射源（Globar）、Nernst灯、微波等离子体灯和波长可调谐激光器等。
下面将对这些光源进行详细介绍。
光电子热辐射源（Globar）是一种常用的红外光源，它由碳化硅制成，能够在千度级别的高温下产生辐射能力。
Globar具有辐射强度高、辐射能力稳定等特点，适用于一般的红外光谱测量。
Globar的工作温度通常在1100℃左右，产生的红外辐射能力主要集中在1到15微米的波段。
Nernst灯是一种以氧化铈为主要成分的陶瓷灯丝，能够在数百摄氏度的温度下产生红外光。
Nernst灯的工作温度通常在800到1200℃之间，频率范围在1到8微米。
与Globar相比，Nernst灯具有辐射能力更强，而且辐射波长范围更广，适用于一些红外光谱测量中的特殊要求。
微波等离子体灯是利用微波等离子体技术产生红外辐射的光源装置。
它是通过加热和离子化气体而产生红外光。
微波等离子体灯具有辐射强度高、光谱特性稳定等优点，适用于高精度和高分辨率的红外光谱测量。
其主要工作波段在1到15微米之间。
波长可调谐激光器是一种能够产生连续可调谐红外光的光源。
它利用激光器的特殊结构和工作原理，使得红外光的波长可以根据需要进行调节。
波长可调谐激光器通常具有辐射强度高、辐射稳定、调谐范围宽、光束质量好等优点，适用于一些高灵敏度和高分辨率的红外光谱测量。