2_光分析导论
仪器分析练习题(第2章光谱分析法导论)
仪器分析练习题第2章光谱分析法导论一.选择题1. 在1900～3600?区域测量某一分子的吸收光谱，使用光源的最佳选择是（ B ）A. 钨灯B. 氘灯（中山大学2011年：分析化学基础）C. 汞灯D. 空心阴极灯2. 欲分析165～360nm的波谱区的原子吸收光谱，选用的光源为（ C ）A. 钨灯B. 能斯特灯（南开大学2007年）C. 空心阴极灯D. 氘灯3. 下列色散元件中，色散均匀、波长范围广且色散率大的是（ D ）？（厦门大学2010年）A. 滤光片B. 玻璃棱镜C. 石英棱镜 D. 光栅4. 棱镜或光栅可作为（ C ）（中国海洋大学2011年博士研究生）A. 滤光元件B. 聚焦元件C. 分光元件D. 感光元件5. 用光电倍增管检测光强度时，增大检测信号值的方法是（ B ）？（厦门大学2010年）A. 增大光源电压B. 增大光电倍增管电压C. 增大采光狭缝宽度D. 以上方法均可6. 下列两种光源均是线光源的是（ B ）（东北大学2010年）A. W灯和空心阴极灯B. 激光和空心阴极灯C. 氘灯和能斯特灯D. ICP光源和硅碳棒7. 三种原子光谱（发射、吸收与荧光）分析法在应用方面的主要共同点为（B ）A. 精密度高，检出限低B. 用于测定无机元素（南京大学2006年）C. 线性范围宽D. 多元素同时测定8. 原子光谱（发射、吸收与荧光）三种分析方法中均很严重的干扰因素是（B ）A. 光谱线干扰B. 背景（华中师范大学2007年）C. 杂散光D. 化学干扰9. 如果设定一个单色器（采用光栅为分光元件）使其能允许600nm的光通过，则下列光线中还有哪条也能通过该单色器？（ D ）（中国海洋大学2011年、2013年）A. 1000nmB. 800nmC. 400nmD. 300nm10.某摄谱仪刚好可以分辨310.030nm及309.9920nm的两条谱线，则用该摄谱仪可以分辨出的谱线组还有（ D ）（中国海洋大学2012年）A. Si 251.61 -Zn 251.58nmB. Ni 337.56 -Fe 337.57nmC. Mn 325.40 -Fe 325.395nmD. Cr 301.82 -Ce301.88nm11. 以下分析方法适宜用于定性分析的是（ A ）？（中国海洋大学2011年）A. 原子发射光谱法B. 原子吸收光谱法C. 紫外可见光谱法D. 荧光光谱法12. 关于原子光谱分析，下列说法错误的是（ C ）？（中国海洋大学2012年）A. 在原子发射光谱的光源中，激发温度最高的是高压电火花B. 与原子荧光光谱法相比，光谱线干扰对原子发射光谱法影响更严重C. 原子发射光谱法可以测定待测元素的存在状态D. 采用原子吸收法测定待测元素，其灵敏度、准确度主要取决于原子化系统二.填空题1. 理论上原子光谱产生的是线状光谱。
仪器分析知识点复习
第一章绪论1.解释名词：（1）灵敏度（2）检出限（1）灵敏度：被测物质单位浓度或单位质量的变化引起响应信号值变化的程度。
（2）检出限：一定置信水平下检出分析物或组分的最小量或最小浓度。
2.检出限指恰能鉴别的响应信号至少应等于检测器噪声信号的（C ）。
A.1倍B.2倍C.3倍D.4倍3.书上第13页，6题，根据表里给的数据，写出标准曲线方程和相关系数。
y=5.7554x+0.1267 R2=0.9716第二章光学分析法导论1. 名词解释：（1）原子光谱和分子光谱；（2）发射光谱和吸收光谱；（3）线光谱和带光谱；（1）原子光谱：原子光谱是由原子外层或内层电子能级的变化产生的，表现形式为线光谱。
分子光谱：分子光谱是由分子中电子能级、振动和转动能级的变化产生的，表现为带光谱。
（2）吸收光谱：当电磁辐射通过固体、液体或气体时，具一定频率(能量)的辐射将能量转移给处于基态的原子、分子或离子，并跃迁至高能态，从而使这些辐射被选择性地吸收。
发射光谱：处于激发态的物质将多余能量释放回到基态，若多余能量以光子形式释放，产生电磁辐射。
（3）带光谱：除电子能级跃迁外，还产生分子振动和转动能级变化，形成一个或数个密集的谱线组，即为谱带。
线光谱：物质在高温下解离为气态原子或离子，当其受外界能量激发时，将发射出各自的线状光谱。
其谱线的宽度约为10-3nm，称为自然宽度。
2. 在AES、AAS、AFS、UV-Vis、IR几种光谱分析法中，属于带状光谱的是UV-Vis、IR，属于线性状光谱的是AES、AAS、AFS。
第三章紫外-可见吸收光谱法1. 朗伯-比尔定律的物理意义是什么？什么是透光度？什么是吸光度？两者之间的关系是什么？2. 有色配合物的摩尔吸收系数与下面因素有关系的是（B）A.吸收池厚度B.入射光波长C.吸收池材料D.有色配合物的浓度3. 物质的紫外-可见吸收光谱的产生是由于（B）A.分子的振动B. 原子核外层电子的跃迁C.分子的转动D. 原子核内层电子的跃迁4. 以下跃迁中那种跃迁所需能量最大（A）A. σ→σ*B. π→π*C. n→σ*D. n→π*5. 何谓生色团和助色团？试举例说明。
第二章 光谱分析法导论
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分子发射
分子发射与分子外层的电子能级、振动能级和转动能 级相关。因此分子发射光谱较原子发射光谱复杂。 为了保持分子的形态，分子的激发不能采用电、热等 极端方式，而采用光激发或化学能激发。 分子发射的电磁辐射基本处于紫外、可见和红外光区 。因此分子主要发射紫外、可见电磁辐射，据此建立 了荧光光谱法、磷光光谱法和化学发光光谱法。 与分子吸收光谱一样，由于相邻两个转动能级之间的 能量差很小，因此由相邻两个转动能级跃迁回同一较 低能级的两个跃迁的能量差也很小，故发射过程所发 射的两个辐射的频率或波长很接近，通常的检测系统 很难分辨出来。而分子能量相近的振动能级又很多， 因此表观上分子发射表现为对特定波长段电磁辐射的27 发射，光谱上表现为连续光谱。
E=（n+1）hv
hv
E=nhv
能量降低
发射(Emission)
物质受到激发而跃迁
到激发态后，由激发态跃迁回到基态时以辐
射的方式释放能量。
能量：光、电、热、化学能等
M → M
M→ M+h
24
发射跃迁可以理解为吸收跃迁相反的过程。由于原子 、分子和离子的基态最稳定，，所以发射跃迁涉及的 是从较高能态向基态的跃迁。 可以通过实验得到发射强度对波长或频率的函数图， 即发射光谱图。 通常情况下，分子、原子和离子处于基态，因此要产 生发射，必须使分子、原子和离子处于激发态，这个 过程称为激发。 激发可以通过提供不同不同形式的能量来实现。包括 三种：1.热能。将试样置于高压交流火花、电弧、火 焰、高温炉体之中，物质以原子、离子形式存在，可 获取热能而处于激发态，并产生紫外、可见或红外辐 射；2.电磁辐射。即用光辐射作用于分子或原子，使 之产生吸收跃迁，并发射分子荧光、分子磷光或原子 荧光；3.化学能。即通过放热的化学反应是反应物或 产物获取化学能而被激发，并产生化学发光。
yvq第3节-光谱法仪器与光学器件
（二）单色器 1、定义：将光源产生的复合光色散成单色光的装 置。 2、主要部件 （1）进口狭缝； （2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平 行光线； （3）色散装置(棱镜、光栅)：使不同波长的辐射 以不同的角度进行传播； （4）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在 单色器的出口曲面上成像。
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（2）特殊装置 原子吸收分光光度法：雾化器中雾化，在火焰中
，元素由离子态→原子； 原子发射光谱分析：试样喷入火焰
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二、光分析法仪器的基本单元
main parts of spectrometry
（四）检测器 （1）光检测器
硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管 阵列检测器、半导体检测器； （2）热检测器
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内容选择：
第一节 光分析基础
fundamental of optical analysis
第二节 原子光谱与分子光谱
atom spectrum and molecular spectrum
第三节 光谱法仪器与光学器件
instruments for spectrometry and optical parts
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一、光分析法仪器的基本流程
general process of spectrometry
光谱仪器通常包括
五个基本单元：
（一）光源
（二）单色器
（三）样品装置
（四）检测器
（五）显示与数据处理
系统
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二、光分析法仪器的基本单元
main parts of spectrometry
（一）光源 依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光
二章光学分析方法导论
相互作用”之后的辐射强度等光学特性，进行物质的 定性和定量分析的方法。
历史上，此相互作用只是局限于电磁辐射与物质 的作用，这也是目前应用最为普遍的方法。现在，光 谱方法已扩展到其它各种形式的能量与物质的相互作 用，如声波、粒子束（离子和电子）等与物质的作用 。
凹面光栅线色散率可用下式表示：
dl nr
d d cos
中阶梯光栅（echelle grating） 1949年，由G. R.Harrison提出的一种特殊光栅，
它与平面闪耀光栅相似。
normal
d
与平面反射光栅的结构区别： 阶梯宽度（宽边, t）大于高度（短边，s）或者说，t/s>1； 使用刻槽的短边，而不是长边，因而入射角大； 刻槽数量少或者说光栅常数 d 很大，通常为300条/mm。
1/1 1/1
1/()
频率不同的正弦波叠加得不同频率的非正弦波； 更多的正弦波叠加可形成方波
2）光波的衍射（Diffraction）
平行光束
单缝衍射
双缝衍射
衍射：当一束平行光通过窄的开口如狭缝时发生弯曲的现象。
3） 光的干涉（Coherent interference） 4） 光的传输（Transmission） 5） 光的反射（Reflection） 6） 光的折射（Refraction） 7）光的偏振（Polarization） 8）光的散射（Scattering）
？天空为什么呈蓝色？
拉曼散射(Raman)：（非弹性碰撞，方向及波长均改变） 光照导致的分子内振动能级跃迁而产生的分子极化过程。分子极化
率越大，Raman散射越强。
2. 光的粒子性 当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，
仪器分析考试练习题和答案
仪器分析考试练习题和答案第2章光学分析法导论【2-1】解释下列名词。
（1）原子光谱和分子光谱（2）发射光谱和吸收光谱（3）闪耀光栅和闪耀波长（4）光谱通带答：（1）原子光谱：由原子能级之间跃迁产生的光谱称为原子光谱。
分子光谱：由分子能级跃迁产生的光谱称为分子光谱。
（2）发射光谱：原来处于激发态的粒子回到低能级或基态时，往往会发射电磁辐射，这样产生的光谱为发射光谱。
吸收光谱：物质对辐射选择性吸收而得到的原子或分子光谱称为吸收光谱。
（3）闪耀光栅：当光栅刻划成锯齿形的线槽断面时，光栅的光能量便集中在预定的方向上，即某一光谱级上。
从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀，这种光栅称为闪耀光栅。
闪耀波长：在这样刻成的闪耀光栅中，起衍射作用的槽面是个光滑的平面，它与光栅的表面一夹角，称为闪耀角。
最大光强度所对应的波长，称为闪耀波长。
（4）光谱通带：仪器出射狭缝所能通过的谱线宽度。
【2-2】简述棱镜和光栅的分光原理。
【2-3】简述光电倍增管工作原理。
答：光电倍增管工作原理：1）光子透过入射窗口入射在光电阴极K上。
2）光电阴极电子受光子激发，离开表面发射到真空中。
3）光电子通过电子加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子，入射电子经N级倍增极倍增后光电子就放大N次方倍。
4）经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。
【2-4】何谓多道型检测器？试述多道型检测器光电二极管阵列、电荷耦合器件和电荷注入器件三者在基本组成和功能方面的共同点。
【2-5】请按能量递增和波长递增的顺序，分别排列下列电磁辐射区：红外，无线电波，可见光，紫外光，X射线，微波。
答：能量递增顺序：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X射线。
波长递增顺序：X 射线、紫外光、可见光、红外线、微波、无线电波。
【2-6】 计算下列电磁辐射的频率和波数。
（1）波长为0.9nm 的单色X 射线； （2）589.0nm 的钠D 线； （3）12.6μm 的红外吸收峰； （4）波长为200cm 的微波辐射。
第二章光分析导论
磁
—— 200 nm
磁
射 800 nm
电磁波谱区域
波数
(cm-1)
108
107
106
105
近
104
103
102
101
1
10-1
10-2
核 磁 共 振
10-3
γ-射线 射线
X– 紫外 射线
近 紫 可 红 中红 远红外 外 外 外
顺磁共 振
红外波段
核
共 振
射
磁 中
(m) 10-10
2011-10-16
光的互补： 光的互补：若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混 合得到白光（无色的光）， ），那么就称这两种单色光为互补 合得到白光（无色的光），那么就称这两种单色光为互补 色光，这种现象称为光的互补。 色光，这种现象称为光的互补。
绿 蓝绿
黄绿 黄 橙 红
绿蓝 蓝 紫 紫红
2011-10-16
光与物质的作用 光的吸收、 光的吸收、发射 光的吸收——光与物质接触时，某些频率的光被 光与物质接触时， 光的吸收 光与物质接触时 选择性吸收并使其强度减弱，叫物质对光的吸收； 选择性吸收并使其强度减弱，叫物质对光的吸收； I 1 I 吸光度：A = lg = − lg T = lg 0 透射率：T = T I I0
2011-10-16
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
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电磁波谱区域与相应的光谱分析方法 电磁波谱区域与相应的光谱分析方法
光谱区域 波长范围 跃迁类型 光谱分析方法 γ射线 0.001 ~0.1Å 核能级跃迁 γ 射线发射 法 莫斯堡尔 法 X射线 0. 1 ~100Å 原子內层电子能级跃迁 X-荧光、衍射法 荧光、 射线 荧光 电子能谱分析法 真空紫外 10~200nm 真空紫外吸收光谱法 200~400nm 紫外 外层电子及价电子能级 紫外可见吸收光谱法 400~800nm 原子吸收、发射、 可见 外层电子及价电子能级 原子吸收、发射、荧光法 分子荧光光谱法 0.8~2.5µm 近红外 分子振动能级 红外吸收光谱 法 2.5~50µm 中红外 分子振动能级 拉曼光谱 法 50~300µm 远红外 µ 分子转动能级 0.3~1000mm 分子转动、 微波吸收、 微波 分子转动、电子自旋能级 微波吸收、电子顺磁共振谱 1m ~ 1000m 无线电波 核自旋 核磁共振谱
现代仪器分析第二章习题及答案
第二章光学分析法导论一、选择题1．电磁辐射的粒子性主要表现在哪些方面（）A．能量 B．频率 C．波长 D．波数2．当辐射从一种介质传播到另一种介质时，下列哪种参量不变（）A．波长B．速度C．频率D．方向3．电磁辐射的二象性是指（）A．电磁辐射是由电矢量和磁矢量组成 B．电磁辐射具有波动性和电磁性C．电磁辐射具有微粒性和光电效应 D．电磁辐射具有波动性和粒子性4．可见光区、紫外区、红外光区、无线电波四个电磁波区域中，能量最大和最小的区域分别为（）A．紫外区和无线电波区 B．可见光区和无线电波区C．紫外区和红外区 D．波数越大5．有机化合物成键电子的能级间隔越小，受激跃迁时吸收电磁辐射的（）A．能量越大 B．频率越高 C．波长越长 D．波数越大6．波长为的电磁辐射的能量是（）A． B． C．124eV D．1240 eV7．受激物质从高能态回到低能态时，如果以光辐射形式辐射多余的能量，这种现象称为（）A．光的吸收 B．光的发射 C．光的散射 D．光的衍射8．利用光栅的（）作用，可以进行色散分光。
A．散射 B．衍射和干涉 C．折射 D．发射9．棱镜是利用其（）来分光的。
A．散射作用 B．衍射作用 C．折射作用 D．旋光作用10．光谱分析仪通常由以下（）四个基本部分组成。
A．光源、样品池、检测器、计算机B．信息发生系统、色散系统、检测系统、信息处理系统C．激发源、样品池、光电二级管、显示系统D．光源、棱镜、光栅、光电池二、填空题1．不同波长的光具有不同的能量，波长越长，频率、波数越（），能量越（）；反之，波长越短，能量越（）。
2．在光谱分析中，常常采用色散元件获得（）来作为分析手段。
3．物质对光的折射率随着光的频率变化而变化，这中现象称为（）。
4．吸收光谱按其产生的本质分为（）、（）、（）等。
5．由于原子没有振动和转动能级，因此原子光谱的产生主要是（）所致。
6．当光与物质作用时，某些频率的光被物质选择性的吸收并使其强度减弱的现象，称为（），此时，物质中的分子或原子由（）状态跃迁到（）的状态。
仪器分析-光学分析导论
波长λ：相邻两个波峰或波谷 间的直线距离。
c
1
波数： 每厘米长度内含有的波 长数目。
2、光的微粒性 电磁波的波动性不能解释辐射的发 射和吸收现象。对于光电效应及黑 体辐射的光谱能量分布等现象，需 要把辐射视为微粒（光子）才能满 意地解释。
3、电磁波谱图
复习思考：
1 通常将仪器分析分为哪几类？
第二章 光学分析法导论
一、光的二象性
1、 光的波动性 光是一种电磁波，电磁波具 有波动性和微粒性。
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 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， 它等于周期的倒数1／T。
发射线是514.5 nm和488.0 nm。另外Kr+激 光器也是激光光谱仪的常备激光器。
(2) 固体激光器 光谱分析中常用的固体激光 器是红宝石（Al2O3掺Cr3+）激光器和Nd： YAG （掺钕的钇铝石榴石）激光器。前者的 激光波长为694.3 nm，后者使用的激光波长是 1064 nm。
二、 单色器
1、单道光子检测器 (1) 光电池 硒光电池是最常用的阻挡层光电 池。将一层半导体硒涂在铁或铝的金属底板 上，金属底板和硒之间是欧姆接触。在硒表 面再涂一层导电性和透光性良好的金属薄膜 如金、银等作为收集极，然后再在金属薄膜 表面涂一层保护层即成。 图10-17
(2) 光电管 光电管也称真空光电二极管。
光谱，这种光谱法有原子发射光
谱和火焰光度法等。
图10-6
光致发光 物质吸收光能后跃迁至
激发态，当回到低能态或基态时将
发射辐射，这种光谱法有原子荧光
光分析习题解答
第二章 光学分析法导论3、 计算：（1）670.7 nm 锂线的频率；（2）3300 cm -1谱线的波长；（3）钠588.99 nm 共振线的激发电位。
解：（1）1141101047.47.670100.3--⨯=⋅⨯==s nms cm cv λ（2）nm cm30303300111===-σλ （3）J eV nms cm s eV ch E 19-110151077.33107.299.588)100.3()10136.4(⨯==⋅⨯⨯⋅⨯=⋅=--λ第三章 紫外－可见吸收光谱法1、已知丙酮的正己烷溶液的两个吸收峰 138nm 和279nm 分别属于л→л*跃迁和n→л*跃迁，试计算л、n 、л*轨道间的能量差，并分别以电子伏特（ev ），焦耳（J ）表示。
解：对于л→л*跃迁，λ1＝138nm ＝1.38×10－7m 则ν＝νC ＝C/λ1=3×108/1.38×10－7=2.17×1015s -1则E=hv=6.62×10-34×2.17×1015=1.44×10-18J E=hv=4.136×10－15×2.17×1015＝8.98ev对于n→л*跃迁，λ2＝279nm ＝2.79×10－7m 则ν＝νC ＝C/λ1=3×108/2.79×10－7=1.08×1015s -1则E=hv=6.62×10-34×1.08×1015=7.12×10-19J E=hv=4.136×10－15×1.08×1015＝4.47ev答：л→л*跃迁的能量差为1.44×10-18J ，合8.98ev ；n→л*跃迁的能量差为7.12×10-19J ，合4.47ev 。
仪器分析-第2章 光学分析法导论
·电子能级变化时，必然伴随着振动能级的变化，振 动能级的变化又伴随转动能级的变化，因此，分子光谱 不是线状光谱，而是带状光谱。
λ =1 / σ
c：光速 (2.9979×1010 cm ·s-1)；λ：波长(cm)； ν：频率(Hz或s-1)；σ：波数(cm-1) ； E ：能量(ev或J)； h：普朗克常数6.6256 ×10-34J ·s或４.136 ×10-15ev.s
二、电磁波谱
电磁辐射按照波长(或频率、波数、能量)大小的顺序排列.
如： 钠原子的光谱项符号 32S1/2；
表示钠原子的电子处于n=3，M =2(S = 1/2)，L =0，
J = 1/2 的能级状态（基态能级）；
接下一页
电子的多重态
h +
单重态 （自旋配对）
电子跃迁
激发单重态 （自旋 配对）
h +
单重态
电子跃迁 和 自旋翻转
（自旋配对）
三重态 （自旋 平行）
返回
3. △J = 0、±1 但当J=0时，△J =0跃迁是禁戒的。 4. △S = 0 即单重态只跃迁到单重态，三重态只跃迁到三重
态。不同多重态之间的跃迁是禁阻的。
符合以上条件的跃迁，跃迁概率大，谱线较强．不符合 光谱选择定则的跃迁叫禁戒跃迁，禁阻跃迁强度很弱。 若两光谱项之间为禁戒跃迁，处于较高能级的原子具有较长 的寿命，原子的这种状态称为亚稳态。
吸收光谱法
原紫红核 子外外磁 吸可可共 收见见振
光谱分析法
分子光谱法
发射光谱法
原原分分 X 化
子
子
仪器分析第五版习题及答案
第一章绪论1-21、主要区别：（1）化学分析是利用物质的化学性质进行分析；仪器分析是利用物质的物理或物理化学性质进行分析；（2）化学分析不需要特殊的仪器设备；仪器分析需要特殊的仪器设备；（3）化学分析只能用于组分的定量或定性分析；仪器分析还能用于组分的结构分析；（3）化学分析灵敏度低、选择性差，但测量准确度高，适合于常量组分分析；仪器分析灵敏度高、选择性好，但测量准确度稍差，适合于微量、痕量及超痕量组分的分析。
2、共同点：都是进行组分测量的手段，是分析化学的组成部分。
1-5分析仪器与仪器分析的区别：分析仪器是实现仪器分析的一种技术设备，是一种装置；仪器分析是利用仪器设备进行组分分析的一种技术手段。
分析仪器与仪器分析的联系：仪器分析需要分析仪器才能达到量测的目的，分析仪器是仪器分析的工具。
仪器分析与分析仪器的发展相互促进。
1-7因为仪器分析直接测量的是物质的各种物理信号而不是其浓度或质量数，而信号与浓度或质量数之间只有在一定的范围内才某种确定的关系，且这种关系还受仪器、方法及样品基体等的影响。
因此要进行组分的定量分析，并消除仪器、方法及样品基体等对测量的影响，必须首先建立特定测量条件下信号与浓度或质量数之间的关系，即进行定量分析校正。
第二章光谱分析法导论2-1光谱仪的一般组成包括：光源、单色器、样品引入系统、检测器、信号处理与输出装置。
各部件的主要作用为：光源：提供能量使待测组分产生吸收包括激发到高能态；单色器：将复合光分解为单色光并采集特定波长的光入射样品或检测器；样品引入系统：将样品以合适的方式引入光路中并可以充当样品容器的作用；检测器：将光信号转化为可量化输出的信号。
信号处理与输出装置：对信号进行放大、转化、数学处理、滤除噪音，然后以合适的方式输出。
2-2：单色器的组成包括：入射狭缝、透镜、单色元件、聚焦透镜、出射狭缝。
各部件的主要作用为：入射狭缝：采集来自光源或样品池的复合光；透镜：将入射狭缝采集的复合光分解为平行光；单色元件：将复合光色散为单色光（即将光按波长排列）聚焦透镜：将单色元件色散后的具有相同波长的光在单色器的出口曲面上成像；出射狭缝：采集色散后具有特定波长的光入射样品或检测器2-3棱镜的分光原理是光的折射。
《仪器分析》第二章 光学分析法导论习题答案
第二章光学分析法导论1. 已知1电子伏特=1. 602×10-19J，试计算下列辐射波长的频率（以兆赫为单位），波数（以cm-1为单位）及每个光子的能量（以电子伏特为单位）：（1）波长为900pm的单色X射线；（2）589.0nm的钠D线；（3）12.6µm的红外吸收峰；（4）波长为200cm的微波辐射。
解：已知1eV=1.602×10-19J, h=6.626×10-34J·s, c=3.0×108m·s-1①λ=900pm的X射线Hz，即3.333×1011MHzcm-1J用eV表示，则eV②589.0nm的钠D线Hz，即5.093×108MHzcm-1J用eV表示，则eV③12.6µm的红外吸收峰Hz，即2.381×107MHzcm-1J用eV表示，则eV④波长为200cm的微波辐射Hz，即1.50×102MHzcm-1J用eV表示，则eV2. 一个体系包含三个能级，如果这三个能级的统计权重相同，体系在300K温度下达到平衡时，试计算在各能级上的相对分布（N i/N）．能级的相对能量如下。
（1） 0eV，0.001eV，0.02eV；（2） 0eV，0.01eV，0.2eV;（3） 0eV，0.1eV, 2eV。
解：已知T=300K, k=1.380×10-23J·K-1=8.614×10-5eV·K-1,kT=8.614×10-5×300=0.0258eV①E0=0eV, E1=0.001eV, E2=0.02eV②E0=0eV, E1=0.01eV, E2=0.2eV③E0=0eV, E1=01eV, E2=2eV3. 简述下列术语的含义电磁辐射电磁波谱发射光谱吸收光谱荧光光谱原子光谱分子光谱自发发射受激发射受激吸收电致发光光致发光化学发光热发光电磁辐射――电磁辐射是一种以巨大速度通过空间传播的光量子流，它即有波动性，又具有粒子性．电磁波谱――将电磁辐射按波长顺序排列，便得到电子波谱．电子波谱无确定的上下限，实际上它包括了波长或能量的无限范围．发射光谱――原来处于激发态的粒子回到低能级或基态时，往往会发射电磁辐射，这样产生的光谱为发射光谱．吸收光谱――物质对辐射选择性吸收而得到的原子或分子光谱称为吸收光谱．荧光光谱――在某些情形下，激发态原子或分子可能先通过无辐射跃迁过渡到较低激发态，然后再以辐射跃迁的形式过渡到基态，或者直接以辐射跃迁的形式过渡到基态。
第二章光学分析法导论
反射：光通过具有不同折射率的两种介质的介面时会产 生反射；
干涉 频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强， 某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区 域互相间隔，此现象叫干涉；
衍射 光绕过物体而弯曲地向它后面传播的现象； 偏振 只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。
光分析法在研究物质组成、结构表征、表 面分析等方面具有其他方法不可区代的地位。
波谷的数目。单位: S-1 (Hz) γ=1/T
波长λ: 相邻两极大值或极小值之间的距离。 波长的单位: cm µm nm Å λ=c / γ
波数δ:每厘米内波的数目,即单位距离中极大值的数 目。单位：cm-1 δ=1/ λ
波速v：波在一秒钟内通过的距离。 v=λ/T=λγ
2、电磁辐射的粒子性
电磁辐射是在空间高速运动的光量子（或称光子） 流。可以用光子具有的能量表征。单位为eV或J， 1eV=1.60×10-19J。 光子能量与光波频率有关，普朗克方程将电磁辐射 的波动性和微粒性联系在一起：
一、光学分析法的分类
光学分析法可分为光谱法和非光谱法两大类. 1、光谱法
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 强度进行分析的方法。
按产生光谱的基本粒子不同
原子光谱 光谱
分子光谱 （1）原子光谱
由原子外层或内层电子能级的变化产生的，表现形式 为线光谱。 原子光谱（线性光谱）：最常见的三种
； h：普朗克常数
电磁辐射具有波动性和微粒性（波粒二相性）
1、电磁辐射的波动性
电磁波是横波（找一个图建立超链接，见上课稿） 可以用波长λ、频率γ、速度v、波数δ、能量等来
表示其特性。 周期T: 相邻两个波峰或波谷通过空间某一固定点所
1 光分析导论 (2)
1.1.2. 电磁波谱：
电磁辐射按波长顺序排列称为电磁波谱。
它反映了物质内能量的变化，任一波长光子的 能量与物质内的原子或分子的能级变化（E） 相对应，它们之间的关系为： E = E1-E2 = EL = h = h c /
表1-1 电磁波谱
能量高低 典型的光谱学 高能辐射 γ射线 X射 线 中间部分 真空紫外 紫外可见 红外 长波部分 微波 电子自旋共振 核磁共振 波长范围 0.005-1.4 Å 0.1-100 Å 10-180 nm 180-780 nm 0.78-300 um 0.75-3.75 mm 3 cm 0.6-10 m 跃迁类型 核能级 内层电子 价电子 价电子 分子的转动和振动 分子的转动 磁场中电子的自旋 磁场中核的自旋
理、能量最低原理和洪特规则可进行核外电子
排布，核外电子构型为1s22s22p63s1。最外层电
子为3s1，它的运动状态为：n = 3, l = 0, m = 0, s = +1/2(或-1/2)。M=2S+1=2, J=1/2 则钠原子基态的光谱项符号为 32S1/2
[例] 钠原子第一激发态的电子构型为 1s22s22p63S03p1 3P轨道有一个电子
[例] 某电子在两能级间跃迁的能量差为4.969 × 10-19 J，求其波长为多少纳米？其波数为多少？ [解] 由 E = h = h c / 得
= h c / E
= 6.626 × 10-34× 3 × 1010 / 4.969 ×
10-19
= 4 × 10-5 cm = 400 nm = 1 / = 1 / 4 × 10-5 cm = 25000 cm-1
总自旋量子数S：S=0 迁是禁阻的。
[例] Na原子谱线
现代仪器分析 第一章 第二章 光分析导论
在线分析
原位分析 实时分析 活体分析 接口 分离技术 仪器和计算机 联用技术 教育 定性 传感器 固定化
分析化学 主要发展趋势
表面分析 大分子表征 化学图象 无损分析 单细胞分析 单分子单聚集体分析
其它科技领域
第一章 绪论
2. 仪器分析的应用领域
社会：体育（兴奋剂）、生活产品质量（食品添加剂、农 药残留量）、环境质量（污染实时检测）、法庭化学 （DNA技术，物证） 化学：新化合物的结构表征；分子层次上的分析方法； 生命科学：DNA测序；活体检测； 环境科学：环境监测；污染物分析； 材料科学：新材料，结构与性能； 药物：天然药物的有效成分与结构，构效关系研究； 外层空间探索：微型、高效、自动、智能化仪器研制。
无机分析和有机分析
根据分析所需试样用量，分析化学分为：
常量、半微量、微量、超微量分析
根据分析方法所用手段分类，分析化学分为：
化学分析、仪器分析
第一章 绪论
酸碱 定量分析 光化学分析
配位 沉淀 氧化还原
电化学分析
基础发展 化学 分析 仪器 分析 色谱分析 质谱分析
定性分析 常量分析
分析化学
1. 2 光谱法
原子发射光谱法
原子光谱法
原子吸收光谱法
X射线荧光与X射线衍射分析
光(波)谱 分析法
分子光谱法
紫外-可见分子吸收光谱分析 红外分子吸收光谱法 激光拉曼光谱法 分子荧光与磷光光谱法 核磁共振与顺磁共振波谱法 X射线光电子能谱和俄歇电子能谱
其它波谱法
第一章 绪论
2. 电化学分析法
以物质的电化学性质为基础的一类分析方法。如电位、电 流、电导、电量等电化学性质。
• • • • • • • • • • • • •
第2章 光谱分析法导论
（3）基于上述两点，光学分析法的应用非常广泛。
线光谱
带光谱
三、电磁辐射的发射（emission）
3、连续光谱(continum spectra):
固体被加热到炽热状态时，无数原子和分子的运动或振动 所产生的热辐射称为 连续光谱，也称黑体辐射（blackbody radiation）。
通常产生背景干扰。温度越高，辐射越强，而且短波长的 辐射强度增加得最快！
6×1014~ 2 2.5 × 106~ 莫斯鲍尔光谱法
×1012
8.3×103
X 射线 10-3~10nm
3 × 1014~ 1．2×106 ~ X 射线吸收法
3×1010
1.2×102
X 射线荧光法
紫外光 10~400nm 可见光 400~750nm
3 × 1010 ~ 125~3.1 7.5×108
六、以电磁辐射为基础的常用光谱方法
波谱区 近红外光 中红外光 远红外光
微波
射频
波长 0.75~2.5m 2.5~50m 50~1990m 0.1~100cm 1~100 m
跃迁类型
分子振动
分子转动 电子、核自旋
近红外光谱区:配位化学的研究对象
红外吸收光谱法:红外光分子吸收
远红外光谱区
电子自旋共振波谱法:微波分子未成对电子吸收
核磁共振波谱法:射频原子核自旋吸收
Small balls on the surface of Mars: The constituents of small balls was proved to be FeS2 by using Musbal Spectrometry （莫斯鲍尔光谱法）
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光的性质
光是电磁波，波粒二象性 光是电磁波， 波动性
光速
c = λν = ν σ
波长 频率 波数 折射/衍射/干涉 吸收/发射/散射 普朗克常数
光子的能量
Байду номын сангаас
粒子性
E = hν = hc λ
二、电磁波谱
电磁辐射按照波长(或频率、波数、能量) 电磁辐射按照波长(或频率、波数、能量)大小的顺序排列就得 到电磁波谱。电磁波谱一般分成如表2 到电磁波谱。电磁波谱一般分成如表2-1所示的一些不同的波长区 不同的波长区域对应着物质不同类型能级的跃迁。 域，不同的波长区域对应着物质不同类型能级的跃迁。
(2) 非光谱法： 非光谱法：
• 利用物质与电磁辐射的相互作用,测定电磁辐射 利用物质与电磁辐射的相互作用 测定电磁辐射 的反射、折射、干涉、 的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基本性质 变化的分析方法 分类：折射法、旋光法、比浊法、 射线衍射法 分类：折射法、旋光法、比浊法、χ射线衍射法 光谱法与非光谱法的区别： 光谱法与非光谱法的区别： 光谱法： 波长改变) 光谱法：内部能级发生变化 (波长改变 波长改变 原子吸收/发射光谱法: 原子吸收 / 发射光谱法 : 原子外层电子能级跃迁 分子吸收/发射光谱法: 分子吸收/发射光谱法:分子外层电子能级跃迁 非光谱法： 非光谱法 ： 内部能级不发生变化仅测定电磁辐 射性质改变(波长不变 波长不变) 射性质改变 波长不变
一、原子光谱
原子光谱产生于原子外层电子能级的跃迁。 原子光谱产生于原子外层电子能级的跃迁。原子外层电子 能级亦称原子能级，它不但取决于外层电子的运动状态， 能级亦称原子能级，它不但取决于外层电子的运动状态，也取 决于电子间的相互作用。
(一)核外电子的运动状态 核外电子的运动状态
原子核外电子的运动状态可以用主量子数n、角量子数l、磁 来描述．根据能量最低原理、 量子数m和自旋量子数s来描述．根据能量最低原理、保利不相 容原理和洪特规则可以写出基态原子的核外电子排布——电子 容原理和洪特规则可以写出基态原子的核外电子排布 电子 组态。例如，11号元素Na和30号元素Zn的电子组态如下 号元素Na 号元素Zn 组态。例如，11号元素Na和30号元素Zn的电子组态如下
第二节
原子光谱和分子光谱
光学光谱区是光学分析最重要的光谱区域。 光学光谱区是光学分析最重要的光谱区域。根据光谱产生的机 是光学分析最重要的光谱区域 光学光谱可分为原子光谱和分子光谱。 制 ， 光学光谱可分为原子光谱和分子光谱。 由分子产生的光谱称 为分子光谱．由原子产生的光谱称为原子光谱。 为分子光谱． 由原子产生的光谱称为原子光谱。 它们具有明显不 同的光谱特征。 同的光谱特征。
电磁辐射的波动性表现为电磁辐射的衍射和干涉现象。 电磁辐射的波动性表现为电磁辐射的衍射和干涉现象。
(二)微粒性
根据量子理论，电磁辐射是在空间高速运动的光量子(或称光子) 根据量子理论，电磁辐射是在空间高速运动的光量子(或称光子) 可以用每个光子所具有的能量来表征。 流。可以用每个光子所具有的能量来表征。 普朗克方程将电磁辐射的波动性和微粒性联系在一起。 普朗克方程将电磁辐射的波动性和微粒性联系在一起。 将电磁辐射的波动性和微粒性联系在一起
能级
主量子数n 与描述核外电子运动状态的主量子数n意义相同， 主量子数n 与描述核外电子运动状态的主量子数n意义相同，它是 决定原子能量状态的主要参数。 决定原子能量状态的主要参数。 电子离核的远近
总轨道角量子数L 各价电子角动量相互作用， 总轨道角量子数L 各价电子角动量相互作用，按照一定的方式耦合 成原子总的量子化轨道角动量， 就是此总角动量量子数。 成原子总的量子化轨道角动量，L就是此总角动量量子数。对于具有 两个价电子的原子， 两个价电子的原子，L只能取下列数值
的所有数值。例如， 即可取l1+l2到∣l1-l2∣，依次递减l的所有数值。例如，对价电 的原子， 于是L可取3 子组态为 np1nd1 的原子 ， l1=1 ， l2 =2 ， 于是 L 可取 3 、 2 、 1 等三 个数值。 的数值0 分别用大字母S 个数值 。 L的数值 0、 l 、 2、 3 、 …分别用大字母S 、P 、 D 、 F…表 分别用大字母 表 示。 总自旋量子数S 总自旋量子数 S 它是各价电子自旋角动量耦合后所得总自旋角 动量的量子数。若原子有N个不成对价电子， 动量的量子数。若原子有N个不成对价电子，其S可取下列数据
内量子数 J 它是原子中各价电子总轨道角动量与总自旋角动量相耦 合得到的原子总角动量的量子数。 可取以下数值。 合得到的原子总角动量的量子数。J可取以下数值。
中的波谱区只是一个粗略的划分， 表2-1中的波谱区只是一个粗略的划分，各种文献中的界线并不是完全 相同。根据能量的高低，电磁波谱又可分为三个部分。 相同。根据能量的高低，电磁波谱又可分为三个部分。
包括γ射线区和X射线区。 射线能量最高， (1)高能辐射区 包括 γ射线区和 X射线区 。 γ 射线能量最高，它来 源于核 能级的跃迁。 射线来源于原子内层电子能级的跃迁． 能级的跃迁。X射线来源于原子内层电子能级的跃迁．高 能辐射的粒子性比较突出。 能辐射的粒子性比较突出。 (2) 中能辐射区 包括紫外区、 可见区和红外区。 包括 紫外区、可见区和红外区 。 这一部分的辐射 紫外区
在介质中， 在介质中，电磁辐射的电磁场与构成介质的原子或分子的外层电子 相互作用，使其传播速度减小。介质不同，传播速度不同， 相互作用 ，使其传播速度减小 。 介质不同 ， 传播速度不同， 因而波长 亦不相同。在不加说明的情况下，辐射的波长指的是在真空中的波长， 亦不相同。在不加说明的情况下 ，辐射的波长指的是在真空中的波长， 此时它具有确定的数值。 此时它具有确定的数值。 辐射在空气中的速度与光速差别很小，故式( 辐射在空气中的速度与光速差别很小，故式(2-1)也适用于空气。 也适用于空气。 波数σ是lcm内波的数目，单位为cm-1。当波长以cm为单位时，波数与波 当波长以cm为单位时， cm为单位时 波数σ lcm内波的数目，单位为cm 内波的数目 长的关系为
光子的能量常以电子伏特(eV)为单位表示 光子的能量常以电子伏特(eV)为单位表示 (eV)
电磁辐射是具有波动性和微粒性的物质运动形式。所以，频率、 电磁辐射是具有波动性和微粒性的物质运动形式。所以，频率、波 波数和光子的能量都可以用作表征电磁辐射的特征参数。 长、波数和光子的能量都可以用作表征电磁辐射的特征参数。一般 常用的参数是波长。 常用的参数是波长。
原子内层电子已经饱和，形成闭合系统，比较稳定。 原子内层电子已经饱和，形成闭合系统，比较稳定。发生跃迁的电 子一般为价电子。所以，在光谱学中更关心的是价电子的组态。 子一般为价电子。所以，在光谱学中更关心的是价电子的组态。
(二)光谱项
由于核外电子之间存在着相互作用， 由于核外电子之间存在着相互作用 ， 其中包括电子轨道运动之间 的相互作用、 的相互作用、电子自旋运动之间的相互作用以及轨道运动与自旋运动之 间的相互作用等。所以， 间的相互作用等。所以，原子的核外电子排布并不能准确地表征原子的 能量状态，原子的能量状态需要用以 能量状态，原子的能量状态需要用以n、L、S、J等四个量子数为参数的 光谱项来表征。 光谱项来表征。
2）分类： ）分类：
(1)光谱法 光谱法(Spectrometry)：利用物质与电磁辐 光谱法 ： 射作用时， 射作用时，物质内部发生量子化能级跃迁而 产生的吸收、 产生的吸收、发射或散射辐射等电磁辐射的 强度随波长变化的定性 定量分析方法 定性、 强度随波长变化的定性、定量分析方法 按能量交换方向分 吸收光谱法 发射光谱法 按作用结果不同分 原子光谱→线状光谱 原子光谱 线状光谱 分子光谱→带状光谱 分子光谱 带状光谱
来源于原子外层电子能级的跃迁，分子价电子能级、 来源于原子外层电子能级的跃迁 ， 分子价电子能级 、 振动能级和转 动能级的跃迁以及分子振动能级和转能动级的跃迁。 动能级的跃迁以及分子振动能级和转能动级的跃迁 。 由于对这部分 辐射的研究和应用要使用一些共同的光学试验技术，如用透镜聚焦、 辐射的研究和应用要使用一些共同的光学试验技术 ， 如用透镜聚焦 、 用棱镜或光栅分光等，故又称此光谱区为光学光谱区。 用棱镜或光栅分光等，故又称此光谱区为光学光谱区。 光学光谱区 (3) 低能辐射区 包括微波区和射频区，通常称为波谱区。 包括微波区和射频区 ， 通常称为波谱区 。 微波和
电场
y = A sin(ωt + ϕ) = A sin(2πvt + ϕ) ω π
磁场
传播方向
单光色平面偏振光的传播
与物质作用 电场向量 Y
Z 磁场向量
X 传播方向
电磁波可以用频率(υ)、波长(λ)和波数(σ)等波参数来表征。 电磁波可以用频率(υ)、波长(λ)和波数(σ)等波参数来表征。 (υ) (λ)和波数(σ)等波参数来表征 频率υ定义为ls内电磁场振荡的次数，单位为赫兹(Hz) ls内电磁场振荡的次数 (Hz)。 频率υ定义为ls内电磁场振荡的次数，单位为赫兹(Hz)。 频率与辐射传播的介质无关，对于一个确定的电磁辐射， 频率与辐射传播的介质无关，对于一个确定的电磁辐射，它是一个 不变的特征量。 不变的特征量。 波长λ是电磁波相邻两个同位相点之间的距离， 波长λ是电磁波相邻两个同位相点之间的距离，常用的单 位有厘米(cm) 微米( (cm)， m)，纳米(nm (nm， m)。 位有厘米(cm)，微米(μm，10-6m)，纳米(nm，10-9m)。 波数σ是波长的倒数, σ=1/λ,常用的单位有 波数σ是波长的倒数, σ=1/λ,常用的单位有 cm-1. 波长与频率的乘积就是电磁辐射传播的速度。在真空中， 波长与频率的乘积就是电磁辐射传播的速度。在真空中，电 磁辐射 的速度与频率 无关 ， 并达 到最大值 ， 精确测量的数值是 99792× cm·s 这一速度称作光速 用符号c表示。 光速， 2.99792×1010cm s-1。这一速度称作光速，用符号c表示。于是有