仪器分析 课件第二章：光分析方法导论.ppt

1、Company Logo第二章光分析方法导论第二章光分析方法导论电磁波谱及分光光度计电磁波谱及分光光度计电磁辐射的性质电磁辐射的性质 光分析方法及其分类光分析方法及其分类基本要求和重点内容基本要求和重点内容Company Logo2-1光分析方法分类光分析方法分类2-1光学分析法的分类光学分析法的分类1.非光谱法 非光谱法是基于辐射与物质相互作用时，测量辐射的某些性质，如折射、干涉、衍射和偏振等变化的分析方法。非光谱法不涉及物质内部能量的跃迁，电磁辐射只改变了传播方向、速度或某些物理性质。主要有：折射法、偏振法、光散射法（比浊法）、干涉法、衍射法、旋光法和圆二色性法等。Company Logo

2、2-1光学分析法的分类光学分析法的分类2.光谱法 光谱法是基于辐射能与物质相互作用时，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而进行分析的方法。光谱法依据被辐射作用的物质对象不同，一般分为原子光谱和分子光谱两大类。原子光谱是由于原子外层或内层电子能级的跃迁所产生的光谱，它的表现形式为线状光谱。主要有AES、AAS、AFS及XFS等方法。Company Logo2-1光学分析法的分类光学分析法的分类2.光谱法 光谱法是基于辐射能与物质相互作用时，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而进行分析的方法。光谱法依据于辐

3、射作用的物质对象不同，一般分为原子光谱和分子光谱两大类。原子光谱是由于原子外层或内层电子能级的跃迁所产生的光谱，它的表现形式为线状光谱。主要有AES、AAS、AFS及XFS等方法。2-1光分析方法分类光分析方法分类 分子光谱是由于分子中电子能级、振动和转动能级的跃迁所产生的光谱，其表现形式为带状光谱。属于这类分析法的有UVVIS、IR、MFS、MPS等方法。此外，基于核自旋及电子自旋能级的跃迁而对射频辐射的吸收所产生的核磁共振和电子自旋共振波谱法，也归属于分子光谱。光谱法依据物质与辐射相互作用的性质，一般分为发射光谱法、吸收光谱法、拉曼散射光谱法三种类型。Company Logo1.发射光谱法

4、发射光谱法 物质通过电致激发、热致激发或光致激发等过程获取能量，变成为激发态的原子或分子M*，激发态的原子或分子是极不稳定的，它们可能以不同形式释放出能量从激发态跃迁至基态或低能态，如果这种跃迁是以辐射形式释放多余的能量就产生发射光谱。通过测量物质发射光谱的波长和强度来进行定性、定量分析的方法叫做发射光谱法。Company Logo*MMh v 依据光谱区域和激发方式不同，发射光谱有以下几种：射线光谱法 X射线荧光分析法 原子发射光谱分析法 原子荧光分析法 分子荧光分析法 分子磷光分析法 化学发光分析法2.吸收光谱法吸收光谱法 当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能级间跃

5、迁所需的能量能满足 的关系时，将产生吸收光谱：通过测量物质对辐射吸收的波长和强度进行分析的方法叫做吸收光谱法。Company Logo*M hvM吸收光谱法主要有以下几种分析方法：吸收光谱法主要有以下几种分析方法：（1）紫外可见分光光度法：它是利用溶液中的分子或基团对紫外和可见光的吸收，产生分子外层电子能级跃迁所形成的吸收光谱，可用于定性和定量测定。（2）穆斯堡尔（Mssbauer）谱法：由与被测元素相同的同位素作为射线的发射源，使吸收体（样品）的原子核产生无反冲的射线共振吸收所形成的光谱。Company Logo(3)原子吸收光谱法:利用待测元素气态基态原子对共振线的吸收进行定量测定的方法。

6、其吸收机理是原子的外层电子能级跃迁,波长在紫外、可见和近红外光区.(4)红外光谱法:利用分子在红外区的振动转动吸收光谱来测定物质的成分和结构.(5)顺磁共振波谱法:在强磁场的作用下，电子的自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为磁量子数Ms值不同的磁能级，磁能级之间的跃迁吸收或发射微波区的电磁辐射。在这种吸收光谱中Company Logo，不同化合物的耦合常数不同，可用来进行定性分析。根据耦合常数，可用来帮助结构的确定。(6)核磁共振波谱法:在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波。利用这种吸收光谱可进行有机化合物结构的鉴定，以及分子

7、的动态效应、氢键的形成、互变异构反应等化学研究。Company Logo3.拉曼拉曼(Raman)散射光谱法散射光谱法 频率为v0的单色光照射到透明物质上，物质分子会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换的，即不仅光子的运动方向发生变化，它的能量也发生变化，则称为Raman散射。这种散射光的频率（vm）与入射光的频率不同，称为Raman位移。Raman位移的大小与分子的振动和转动的能级有关，利用Raman位移研究物质结构的方法称为Raman光谱法。Company Logo2-2电磁辐射的基本性质电磁辐射的基本性质 经典物理学认为：电磁辐射是一种在经典物理学认为：电磁辐射是一种在

8、空间传播着的交变电场和磁场，真空中的空间传播着的交变电场和磁场，真空中的速度为速度为2.997921010cms-1，不需要以任，不需要以任何物质作为传播媒介的能量形式（注意：何物质作为传播媒介的能量形式（注意：是一种能量形式）。是一种能量形式）。它包括无线电波、微波、红外光、可它包括无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光以及见光、紫外光以及X-射线和射线和-射线等。电射线等。电磁辐射具有波动性和微粒性磁辐射具有波动性和微粒性-称为电磁辐称为电磁辐射的二象性射的二象性。一电磁辐射的波动性一电磁辐射的波动性 电磁辐射是一种电磁波，它可以用电场矢量和磁场矢量来描述，它是简单的单个频率的平面偏振电磁

9、波。由于与物质微粒内电荷相互作用的是电磁波的电场，所以一般情况下，仅以电场矢量表示电磁波。电磁波的波波动性：振动传播、反射、衍射、干涉和散射。可以用以下的波参数来描述：Company Logo可以用以下的波参数来描述：可以用以下的波参数来描述：周期T：相邻两个波峰或波谷通过空间某一固定点所需要的时间间隔称为波的周期，单位为s（秒）。频率 ：单位时间内通过传播方向上某一点的波峰或波谷的数目，即单位时间内电磁场振动的次数称为频率，单位为Hz，即s-1（秒-1），频率为周期的倒数，。波长：相邻两个波峰或波谷间的直线距离称为波长，若电磁波的传播速度为c,则：1Tc 波数（或）：每厘米长度内含有波长的数

10、目称为波数，单位为cm-1，波数是波长的倒数，可表示为:Company Logo1c%二电磁辐射的微粒性二电磁辐射的微粒性 光的粒子论最早是牛顿提出来的，而波动论和粒子论的争论一直持续到二十世纪初，普朗克（Planck）提出的量子论才把两者联系起来，并为科学界所共识，即。普朗克认为，被热激发的振动质点的能量光具有二象性是量子化的。当振子从一个被允许的高能级向低能级跃迁时，就有一个光子的能量发射出来，光子的能量与频率成正比，与波长成反比，而与光的强度无关。式中，h=6.62610-34Js，c为光速。h cEhv表2-1 能量单位换算表v注：Erg单位已不再使用，常用的能量单位是J和eV。Com

11、pany LogoJCalErg eV1J（焦耳）10.23901076.24110181Cal（卡）4.18414.1841072.61210191erg（尔格）10-72.39010-816.24110111eV（电子伏）1.60210-193.82910-201.60210-121三电磁波谱三电磁波谱 将各种电磁辐射按照波长或频率的大小顺序排列所画成的图或表称为电磁波谱。可见，电磁波谱是一个跨越1015波长范围的极宽的波谱带，其中射线的波长最短（频率最高），能量最大；其后依次是X射线区，紫外可见和红外光区；无线电波区波长最长（频率最低），能量最小。高能辐射区光学光谱区长波部分Compan

12、y LogoE/eV /Hz电磁波电磁波跃迁类型跃迁类型2.51056.010190.005nm射线区核能级2.51051.21026.010193.010160.00510nmX射线区K、L层电子能级1.21026.23.010161.5101510200nm真空紫外光区K、L层电子能级6.23.11.510157.51014200400nm近紫外光区外层电子能级3.11.67.510143.81014400800nm可见光区外层电子能级1.60.503.810141.210140.82.5m近红外光区分子振动能级0.502.510-21.210146.010122.550m中红外光区分子振

13、动能级2.510-21.210-36.010123.01011501000m远红外光区分子转动能级1.210-34.110-63.010111.01091300mm微波区分子转动能级4.110-61.0109300mm无线电波区电子和核的自旋表2-1 电磁波谱的有关参数2-3.分光光度计分光光度计 用来研究吸收、发射或荧光的电磁辐射的强度和波长的关系的仪器叫做光谱仪或分光光度计。这一类仪器一般包括五个基本单元：光源、单色器、样品容器、检测器和读出器件。1.光源 光谱分析中，光源必须具有足够的输出功率和稳定性。光源有连续光源和线光源等,一般连续光源主要用于分子光谱中。连续光源有紫外光源，主要是采

14、用氢灯，氘灯或氙灯；可见 光源，常用的是钨丝灯、卤钨灯；红外光源，常用的是硅碳棒、能斯特灯等。线光源主要用于原子光谱中，线光源有金属蒸气灯，常见的是汞或钠蒸气灯、空心阴极灯，用于原子吸收光谱中，还有激光光源。2.单色器 它的作用是将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带。包括入射光狭缝和出射光狭缝、准直镜以及色散元件所组成,色散元件有棱镜和光栅两种。Company Logo3.样品容器样品容器 盛放样品的容器必须由光透明的材料制成。在紫外光区工作时，采用石英材料；在可见光区工作时，则用硅酸盐玻璃材料；在红外光区工作时，则可根据不同的波长范围选择不同的材料（主要有碱金属或碱土金属的卤化物）的晶体，

15、制成样品池的窗口。Company Logo4.检测器检测器 在光学分析仪器中，用光电转换器件作为检测器。这类检测器必须在一个宽的波长范围内对辐射有响应，在辐射能量较低时响应应灵敏，对辐射的响应速度要快，响应信号要容易放大，噪声水平要低，而更重要的是响应信号应与照射光的强度I成线性关系。Company Logo 检测器可分为两类，一类对光子有响应的光检测器，如硒光电池、光电管（也称真空光电二极管）、光电倍增管、半导体检测器和硅二极管阵列检测器等；另一类为对热产生响应的热检测器，这种检测器用于红外光谱法，利用红外光的热效应使检测器产生响应信号，如真空热电偶、测热辐射计、高莱池和热释电检测器等。Company Logo5.读出装置读出装置 由检测器将光信号转换为电信号并经放大后，可用检流计、微安表、记录仪、数字显示器或阴极射线显示器显示或记录测定结果。Company LogoCompanyLOGO