1、第五章第五章 光分析法基础光分析法基础第一节第一节 光分析法概述光分析法概述 第二节第二节 原子光谱与分子光谱原子光谱与分子光谱第三节第三节 光分析仪器及光学器件光分析仪器及光学器件第四节第四节 光分析法进展光分析法进展第一节第一节 光分析法概述光分析法概述一、光分析法及其基本特征一、光分析法及其基本特征二、电磁辐射性质与电磁波谱二、电磁辐射性质与电磁波谱三、光分析法分类三、光分析法分类第一节第一节 光分析法概述光分析法概述一、光分析法及其基本特征一、光分析法及其基本特征光分析法：光分析法：基于基于能量能量与待测物质与待测物质相互作用相互作用后，后，由所产生的由所产生的电磁辐射信号电磁辐射信号
2、或待测物质与电磁辐射或待测物质与电磁辐射相互作用后所产生的相互作用后所产生的电磁辐射信号的变化电磁辐射信号的变化确定确定物质组成或结构的分析方法。物质组成或结构的分析方法。（一）、光分析法（一）、光分析法光源、光源、辐射源等辐射源等吸收、发射、吸收、发射、折射、散射、折射、散射、反射、干涉、反射、干涉、衍射等衍射等第一节第一节 光分析法概述光分析法概述1、能源（光源、辐射源等）提供能量；能源（光源、辐射源等）提供能量；2、能量与被测物之间的相互作用；能量与被测物之间的相互作用；3、产生电磁辐射信号或电磁辐射信号变化。产生电磁辐射信号或电磁辐射信号变化。三个基本过程（三要素）：三个基本过程（三要
3、素）：第一节第一节 光分析法概述光分析法概述1、所有光分析法均包含三个基本过程；所有光分析法均包含三个基本过程；2、选择性测量，不涉及混合物分离；、选择性测量，不涉及混合物分离；3、涉及大量光学元器件；、涉及大量光学元器件；4、灵敏度高、选择性好、用途广。、灵敏度高、选择性好、用途广。（二）、光分析法基本特征（二）、光分析法基本特征第一节第一节 光分析法概述光分析法概述二、电磁辐射性质与电磁波谱二、电磁辐射性质与电磁波谱电磁辐射（电磁波）是以接近光速（真空中为电磁辐射（电磁波）是以接近光速（真空中为光速光速c）传播的）传播的能量能量。注 意：是 一注 意：是 一种能量形式！种能量形式！包括无线
4、电波、微波、红外光、包括无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光以及可见光、紫外光以及x-射线和射线和-射线等。射线等。（一）、电磁辐射（一）、电磁辐射第一节第一节 光分析法概述光分析法概述电磁辐射具有波粒二象性：波动性和粒子性电磁辐射具有波粒二象性：波动性和粒子性波动性：波动性：chcEh c：光速；光速；：波长；波长；：频率；频率；：波数：波数；E：能量；：能量；h：普朗克常数：普朗克常数。粒子性：粒子性：第一节第一节 光分析法概述光分析法概述（二）、电磁波谱（二）、电磁波谱紫紫外外区区可可见见区区红红外外区区高能辐射部分高能辐射部分波长增加，能量降低波长增加，能量降低射线射线 X射线射线微
5、波、微波、无线电波、无线电波、射频射频长波部分长波部分第一节第一节 光分析法概述光分析法概述跃迁类型与电磁波谱区域相对应。跃迁类型与电磁波谱区域相对应。第一节第一节 光分析法概述光分析法概述使分子或原子中的价电子激发跃迁所需的能量使分子或原子中的价电子激发跃迁所需的能量为为120eV，计算相应的电磁波的波长。，计算相应的电磁波的波长。348111916.626 102.9981012401 1.602 10J sm shcnmEJ 348121926.626 102.998106220 1.602 10J sm shcnmEJ 紫外紫外-可见光区可见光区(200400nm)的光子能量时，足的光
6、子能量时，足以引起价电子的激发跃迁。以引起价电子的激发跃迁。第一节第一节 光分析法概述光分析法概述三、光分析法分类三、光分析法分类 依据作用方式不同：依据作用方式不同：非光谱法与光谱法非光谱法与光谱法非光谱法：非光谱法：基于辐射与物质相互作用时，测量辐射基于辐射与物质相互作用时，测量辐射的某些性质，如折射、散射、干涉、衍射和偏振等的某些性质，如折射、散射、干涉、衍射和偏振等变化的分析方法。变化的分析方法。不涉及能级跃迁，不涉及能级跃迁，电磁辐射只改变传播方向等电磁辐射只改变传播方向等某些某些物理性质。物理性质。第一节第一节 光分析法概述光分析法概述 光谱法：光谱法：基于物质与辐射能作用时，分子
7、发生基于物质与辐射能作用时，分子发生能级跃迁而产生的发射、吸收或散射的波长或强能级跃迁而产生的发射、吸收或散射的波长或强度进行分析的方法。度进行分析的方法。依据作用对象：原子光谱与分子光谱。依据作用对象：原子光谱与分子光谱。第二节第二节 原子光谱与分子光谱原子光谱与分子光谱原子核外电子在原子内能级之间跃迁所产原子核外电子在原子内能级之间跃迁所产生的生的线状光谱线状光谱原子光谱原子光谱分子光谱分子光谱分子中电子能级、振动和转动能级的变化分子中电子能级、振动和转动能级的变化产生的产生的带状光谱带状光谱第二节第二节 原子光谱与分子光谱原子光谱与分子光谱原子光谱原子光谱原子发射光谱（原子发射光谱（AE
8、S）原子吸收光谱（原子吸收光谱（AAS）原子荧光光谱（原子荧光光谱（AFS）X射线荧光光谱（射线荧光光谱（XFS）穆斯堡谱穆斯堡谱基于原子外基于原子外层电子跃迁层电子跃迁基于原子内基于原子内层电子跃迁层电子跃迁基于原子核基于原子核第二节第二节 原子光谱与分子光谱原子光谱与分子光谱分子光谱分子光谱紫外紫外-可见吸收光谱法可见吸收光谱法（UV-Vis）荧光光谱法（荧光光谱法（MFS）磷光光谱法（磷光光谱法（PFS）红外吸收光谱法（红外吸收光谱法（IR）基于分子外基于分子外层电子跃迁层电子跃迁基于分子内基于分子内部振动能级和部振动能级和转动能级跃迁转动能级跃迁第二节第二节 原子光谱与分子光谱原子光谱
9、与分子光谱一、原子光谱一、原子光谱原子的能级通常用原子的能级通常用光谱项符号光谱项符号表示：表示：nMLJ n：主量子数；主量子数；M：谱线多重度；谱线多重度；L：总角量子数；总角量子数；J：内量子数内量子数 可用两个光谱项符号表示能级间跃迁或跃迁谱线。可用两个光谱项符号表示能级间跃迁或跃迁谱线。选择定则选择定则第二节第二节 原子光谱与分子光谱原子光谱与分子光谱二、分子光谱二、分子光谱（一）、分子的能量构成（一）、分子的能量构成E=Ee+Ev +Er +En +Et +Ei原子的核能：原子的核能：En 分子的平移能：分子的平移能：Et电子运动能：电子运动能：Ee 原子间相对振动能：原子间相对振
10、动能：Ev分子转动能：分子转动能：Er 基团间的内旋能：基团间的内旋能：Ei不变不变较小较小 (1)第二节第二节 原子光谱与分子光谱原子光谱与分子光谱E=Ee+Ev +Er (2)hv =E2-E1 =Ev =Ee/h +Ev/h +Er/h 分子产生跃迁所吸收能量的辐射频率：分子产生跃迁所吸收能量的辐射频率：(3)第二节第二节 原子光谱与分子光谱原子光谱与分子光谱分子外层电子跃迁的能分子外层电子跃迁的能级差约为级差约为 1-20 ev分子的振动跃迁的能级分子的振动跃迁的能级差约为差约为 0.05-1ev 分子的转动跃迁的能级分子的转动跃迁的能级差约为差约为 0.05-10-4ev 第三节第三
11、节 光分析仪器及光学器件光分析仪器及光学器件一、光分析仪器的基本流程一、光分析仪器的基本流程二、光分析仪器的基本单元与器件二、光分析仪器的基本单元与器件第三节第三节 光分析仪器及光学器件光分析仪器及光学器件一、光分析仪器的基本流程一、光分析仪器的基本流程 光谱仪器通常包括五个基本单元：光谱仪器通常包括五个基本单元：1、光源；、光源；2、单色器；、单色器；3、试样室；、试样室；4、检测器；、检测器；5、显示与数据处理。、显示与数据处理。第三节第三节 光分析仪器及光学器件光分析仪器及光学器件光分析仪器的基本流程光分析仪器的基本流程光源光源试样试样单色器单色器检测器检测器显示与记录显示与记录(a)连
12、续波长光辐射连续波长光辐射光源光源试样试样单色器单色器检测器检测器显示与记录显示与记录(b)单色光辐射单色光辐射第三节第三节 光分析仪器及光学器件光分析仪器及光学器件二、光分析仪器的基本单元与器件二、光分析仪器的基本单元与器件（一）、光源（一）、光源依据分析方法不同，采用不同的光源。依据分析方法不同，采用不同的光源。在较大范围提供连续波长的光源在较大范围提供连续波长的光源钨丝灯、氢灯、氘灯、能斯特灯等。钨丝灯、氢灯、氘灯、能斯特灯等。光源光源连续光源连续光源提供特定波长的光源提供特定波长的光源线光源线光源激光、空心阴极灯。激光、空心阴极灯。第三节第三节 光分析仪器及光学器件光分析仪器及光学器件
13、第三节第三节 光分析仪器及光学器件光分析仪器及光学器件（二）、单色器（二）、单色器 单色器主要部件：单色器主要部件：1、入射狭缝；入射狭缝；2、准直装置准直装置(透镜或反射镜透镜或反射镜)；3、色散元件色散元件(棱镜、光栅棱镜、光栅)；4、出射狭缝。出射狭缝。作用作用：是将复合光色散成光谱带，提供是将复合光色散成光谱带，提供光谱带或单色光。光谱带或单色光。第三节第三节 光分析仪器及光学器件光分析仪器及光学器件第三节第三节 光分析仪器及光学器件光分析仪器及光学器件不同波长光具有不同的折射率不同波长光具有不同的折射率非均排光谱，目前很少使用。非均排光谱，目前很少使用。色散色散元件元件棱镜棱镜单狭缝
14、衍射与多狭缝干涉单狭缝衍射与多狭缝干涉光栅光栅均排光谱均排光谱反射光栅反射光栅透射光栅透射光栅凹面反射光栅凹面反射光栅平面反射光栅平面反射光栅（闪耀光栅）（闪耀光栅）第三节第三节 光分析仪器及光学器件光分析仪器及光学器件（三）、狭缝（三）、狭缝可分辨的最小波长可用有效带宽可分辨的最小波长可用有效带宽S表示：表示：S=DWD：为线色散率的倒数；为线色散率的倒数；W：为狭缝宽度。为狭缝宽度。狭缝宽度可控制光强，狭缝宽度可控制光强，也和单色器的分辨能力有关。也和单色器的分辨能力有关。狭缝示意图狭缝示意图第三节第三节 光分析仪器及光学器件光分析仪器及光学器件（四）、试样室（四）、试样室（五）、检测器（五）、检测器（六）、信息处理与显示装置（六）、信息处理与显示装置详细内容在详细内容在 相关章节中介绍。相关章节中介绍。第四节第四节 光分析法进展光分析法进展自学可查阅相关资料。自学可查阅相关资料。1.采用新光源，提高灵敏度采用新光源，提高灵敏度 2.联用技术联用技术 3.新器件和检测器的发展新器件和检测器的发展
