第二章-光谱分析概论.pptx
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1、第一节第一节 概述概述一、光分析法:一、光分析法:二、光分析法的分类:二、光分析法的分类:概概述述:随随着着光光学学和和电电子子技技术术的的发发展展,基基于于电电磁磁辐辐射射(光光)与与物物质质相相互互作作用用而而建建立立的的分分析析测测试试方方法法越越来来越越广广泛泛地地应应用于物理、化学和生物等各个学科领域。用于物理、化学和生物等各个学科领域。特特别别在在物物质质组组成成和和结结构构的的研研究究、基基团团的的识识别别、几几何何构构型型的的确确定定、表表面面分分析析等方面,更具有其优越性。等方面,更具有其优越性。一一、光光分分析析法法:凡凡是是基基于于检检测测能能量量作作用用于于待待测测物物
2、质质后后产产生生的的辐辐射射信信号号或或所所引引起起变变化化的分析方法均可称为光分析法。的分析方法均可称为光分析法。光分析办法均包含有四个主要过程:光分析办法均包含有四个主要过程:1.能源提供能量,能源提供能量,2.能量与被测物质相互作用,能量与被测物质相互作用,3.产生被检测的讯号,产生被检测的讯号,4.检测信号转换处理后,产生数据或光谱图、检测信号转换处理后,产生数据或光谱图、对数据图谱进行解读,确定分析物的结构和对数据图谱进行解读,确定分析物的结构和组成。组成。二、光分析法的分类:二、光分析法的分类:按按能能源源不不同同,光光学学分分析析法法可可分分为为:红红外、紫外、外、紫外、X光及化
3、学发光等光谱法;光及化学发光等光谱法;按按被被测测物物质质不不同同,光光学学分分析析法法可可分分为为:原子光谱、分子光谱;原子光谱、分子光谱;按按产产生生的的被被测测信信号号的的辐辐射射能能的的基基本本性性质质,光光学学分分析析法法可可分分为为:吸吸收收、发发射射、散散射射、折射、反射、干涉、衍射、偏振等。折射、反射、干涉、衍射、偏振等。光光谱谱分分析析:主主要要以以光光的的发发射射、吸吸收收或或拉拉曼曼散散射射等等作作用用而而建建立立的的分分析析方方法法,以以光光谱谱的的波波长长或强度为分析依据。或强度为分析依据。非非光光谱谱分分析析:指指那那些些不不以以光光的的波波长长为为分分析析依依据据
4、,仅仅通通过过测测量量光光的的折折射射、反反射射、干干涉涉、衍衍射射、偏偏振振等等某某些些基基本本性性质质的的变变化化为为分分析析依依据据的的方法,如比浊法、旋光法、折射法等。方法,如比浊法、旋光法、折射法等。一般分类一般分类:光谱分析和非光谱分析光谱分析和非光谱分析一、光与电磁波谱的基本性质一、光与电磁波谱的基本性质二、用于分析的电磁波谱的谱区范围二、用于分析的电磁波谱的谱区范围 及对应的量子跃迁类型及对应的量子跃迁类型三、物资与光的相互作用三、物资与光的相互作用第二节、光、光谱、电磁波谱第二节、光、光谱、电磁波谱1、光的性质、光的性质 光光是是一一种种电电磁磁波波,具具有有波波、粒粒二二重
5、重性性。整整个个电电磁磁波波包包括括无无线线电电波波、微微波波、红红外外线、可见光、紫外光、线、可见光、紫外光、X射线、射线、-射线等。射线等。一、光与电磁波谱的基本性质一、光与电磁波谱的基本性质 它它们们作作为为横横向向电电磁磁波波在在空空间间传传播播,在在真真空空中中的的传传播播速速度度都都等等于于光光速速,即即=c,式式中中是是波波长长,是是频频率率,c是是光光在在真真空空中中的的传传播播速速度度,约约等等于于31010cm/s。各各种种电电磁磁波波谱谱的的波波长长、频频率率及及具具有有的的能能量量各各不不相相同同,而而且且产产生生各各种种电电磁磁波波谱谱的的方方法也是不同的。法也是不同
6、的。光共同的特点:光共同的特点:光光谱谱:将将不不同同波波长长的的光光按按它它们们波波长长大大小小的的顺顺序序依依次次排排列列,并并以以波波长长为为横横坐坐标标,以以光光强强为为纵纵坐坐标标所所形形成成的的图图谱谱。其其曲曲线线为为光光谱谱曲曲线线;其其在在某某些些波波长长处处有有较较强强的的光光强强度度时时,呈呈尖尖峰峰状状光光谱谱曲曲线线,为为光光谱谱峰峰,对对应应的波长为特征波长。的波长为特征波长。2、光谱、光谱波长波长光光强强光谱峰光谱峰 、光的波动性参数,、光的波动性参数,、光的数量参数,、光的数量参数,、光的传播参数,、光的传播参数,、光的偏振性参数、光的偏振性参数.3、描述光有四
7、类参数:、描述光有四类参数:即即:电电磁磁波波振振动动的的周周期期性性特特征征,用用振振动动的的时时间间频频率率(周周期期)或或空空间间频频率率(周周期期)表表示,是光的性质参数。示,是光的性质参数。光的时空特征:光的时空特征:振振动动状状态态在在时时间间上上的的重重复复性性特特征征,用用频率频率或周期或周期T表示,二者互为倒数;表示,二者互为倒数;振振动动状状态态在在空空间间上上的的重重复复特特征征,用用波波长长或波数或波数表示,二者互为倒数。表示,二者互为倒数。b、光的波动性参数、光的波动性参数光的四类参数光的四类参数b、光的数量参数,即光的强度或振幅。、光的数量参数,即光的强度或振幅。b
8、、光的传播参数,包括光的传播速度、光的传播参数,包括光的传播速度、方向与相位方向与相位。b、光的偏振性参数,电磁波是一种横波、光的偏振性参数,电磁波是一种横波、电场和磁场的振动方向与传播方向相互垂电场和磁场的振动方向与传播方向相互垂 直;固定在一种振动方向的为线偏振光,直;固定在一种振动方向的为线偏振光,振动方向随时间频率而转动的光为园或椭振动方向随时间频率而转动的光为园或椭 圆偏振光。圆偏振光。光的四类参数光的四类参数二、用于分析的电磁波谱的谱区范围二、用于分析的电磁波谱的谱区范围 及对应的量子跃迁类型及对应的量子跃迁类型光的谱区范围光的谱区范围跃迁类型跃迁类型 1、能谱区,、能谱区,核能、
9、内层电子核能、内层电子 2、光学光谱,、光学光谱,外层电子、价电子、外层电子、价电子、分子振动、分子振动、转动转动 3、波谱,、波谱,电子自旋、核自旋电子自旋、核自旋 波波长长很很短短的的光光(102eV),其其粒粒子子性性比比较较明明显显,此此谱谱区区为为能能谱谱,包包括括射射线线和和射射线线;采采用用该该谱谱区区的的光光为为分分析析信信号号的的分分析析技技术为能谱分析,使用的为射线仪器。术为能谱分析,使用的为射线仪器。1、能谱、能谱谱区范围谱区范围 2、光学光谱:、光学光谱:包包 括括 紫紫 外外 谱谱 区区(180-400nm)、可可 见见 光光 谱谱 区区(420-780nm)、和和红
10、红外外谱谱区区(0.78-300um),该该谱谱区区可可使使用用光光学学器器件件,如如棱棱镜镜、光光栅栅、透透镜镜等等,因因此此称称为光学谱区。为光学谱区。3、波谱:、波谱:波波长长很很长长(1mm)的的光光,光光子子能能量量很很小小(10-3eV),主主要要表表现现为为光光的的波波动动性性,因因此此称称为为波波谱谱,包包括括微微波波和和无无线线电电波波,波波谱谱的的产产生生和和检检测测主主要要使使用用电电子子器器件。件。谱区名称谱区名称*波长范围波长范围*光子能量光子能量(Ev)能级跃迁类型能级跃迁类型射线射线X射线射线远紫外光远紫外光近紫外光近紫外光可见光可见光近红外光近红外光中红外光中红
11、外光远红外光远红外光微波微波射频射频5-140pm10-3-10nm10-200nm200-400nm400-750nm0.75-2.5um2.5-50um50-1000um0.1-100cm1-1000m2.5*106-8.3*1031.2*106-1.2*102125-66-3.13.1-1.71.7-0.50.5-0.022*10-2-4*10-44*10-4-4*10-74*10-7-4*10-10核反应核反应内层电子跃迁内层电子跃迁价电子跃迁价电子跃迁价电子跃迁价电子跃迁价电子跃迁价电子跃迁分子振动分子振动分子振动分子振动分子转动分子转动分子转动分子转动,电子自旋电子自旋核自旋核自旋
12、电磁波谱的的谱区范围及对应的量子跃迁类型见下表电磁波谱的的谱区范围及对应的量子跃迁类型见下表:电磁波谱的的谱区范围电磁波谱的的谱区范围(下表下表):谱区名称谱区名称*波长范围波长范围*波数波数(/cm)频率范围频率范围(MHz)射线射线X射线射线远紫外光远紫外光近紫外光近紫外光可见光可见光近红外光近红外光中红外光中红外光远红外光远红外光微波微波射频射频5-140pm10-3-10nm10-200nm200-400nm400-750nm0.75-2.5um2.5-50um50-1000um0.1-100cm1-1000m2*1010-7*1071010-106106-5*1045*104-2.5
13、*1042.5*104-1.3*1043*104-4*1034000-200200-1010-0.0110-2-10-56*1014-2*10123*1014-3*10103*1010-1.5*1095*109-7.5*1087.5*108-4.0*1084.0*108-1.2*1081.2*108-6.0*1066.0*106-105105-102102-0.1一、分子内部运动的层次性一、分子内部运动的层次性 与光与光(电磁波电磁波)的联系的联系 二、物资与光的相互作用二、物资与光的相互作用 第三节第三节 光与物质的相互作用光与物质的相互作用1、物质中分子的运动状态、物质中分子的运动状态2、
14、分子内部运动与光的联系、分子内部运动与光的联系一、分子内部运动的层次性一、分子内部运动的层次性 与光与光(电磁波电磁波)的联系的联系分为以下六种:分为以下六种:、分子的平动运动、分子的平动运动(热运动热运动);、分分子子中中各各原原子子的的核核外外电电子子轨轨道道运运动动(主主要要为价电子运动为价电子运动);、分子中各原子间的相对位移振动、分子中各原子间的相对位移振动;、分子的转动、分子的转动;、分分子子中中各各原原子子的的核核外外电电子子在在外外磁磁场场作作用用下下因自旋而产生的进动因自旋而产生的进动;、分分子子中中各各原原子子核核在在外外磁磁场场作作用用下下因因自自旋旋而而产生的进动。产生
15、的进动。1、物质中分子的运动状态、物质中分子的运动状态 、分子的平动运动:、分子的平动运动:分分子子的的平平动动运运动动状状态态与与速速度度取取决决于于物物质质的的温温度度,与与分分子子的的本本性性无无关关,其其变变化化不不会会导导致致吸吸收收或或发发射射特特征征光光,因因此此无无法法取取得得分分子子的的结结构构信信息息,但但分分子子的的平平动动运运动动状状态态会会影影响响光光谱谱的的带带宽宽,对对光光谱谱分析也有影响。分析也有影响。2、分子内部运动与光的联系、分子内部运动与光的联系 、分分子子中中各各原原子子的的核核外外电电子子轨轨道道运运动动(主要为价电子运动主要为价电子运动):需需要要的
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