10光学分析法导论剖析PPT课件
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原子光谱：原子发射光谱、原子吸收光谱、原子荧光光谱 分子光谱：紫外-可见吸收光谱、分子荧光/磷光光谱、化学发光
波谱区 近红外光 中红外光 远红外光
微波
射频
波长
0.75~2.5 2.5~50 50~1990 0.1~100c
m
m
m
m
1~100 m
跃迁类型
分子振动
近红外光谱区:配位化学的研究对象
分子转动 电子、核自旋
两个重要推论： 物质粒子存在不连续的能态，各能态具有特定的
能量。当粒子的状态发生变化时，该粒子将吸收或发射 完全等于两个能级之间的能量差；反之亦是成立的，即
E =E1-E0=h
（3）电磁波谱
电磁辐射按波长(或频率、波数、能量)大小顺序排列得到电磁波谱
电磁波谱与现代仪器分析方法
波谱区 波长
跃迁类型
吸收
基态 M
+ hν
M
* 激发态
- hν
发射
（3）透射
频率不变
折射率
c ：真空中的光速 c2：介质中的光速
不同介质，折射率不同 同一介质对不同波长的光，折射率不同
色散曲线
正常色散区：用于透镜，减小色差 非正常色散区：用于棱镜的分光功能
（4）散射
瑞利散射 当介质的分子比光的波长小时发生Rayleigh 散射。 光子与介质分子产生弹性碰撞，只改变传播方向而没有能量 交换的分子散射。散射光强与波长的四次方成反比 I ∝λ－4。
1. 电磁辐射的性质
电磁辐射：以极大速度通过空间，不需要以任何 物质作为传播媒介的一种电磁波（能量），电磁 波是振荡并互相垂直的电场E和磁场M的结合。
这些电磁辐射包括从射线到无线电波的所有电磁 波谱范围(不只局限于光学光谱区)。 波动性 粒子性
(1) 波动性
电磁辐射为正弦波（波长、频率、速度、振幅）。与其 它波，如声波不同，电磁波不需传播介质，可在真空中传输。
电场
y = A sin(t + ) = A sin(2vt + )
磁场
单色平面偏振光的传播
传播方向
• 频率：一秒内电磁场振荡的次数，单位Hz或s-1。
– 只决定于辐射源，与介质无关
• 波长：是电磁波相邻两个同位相点之间的距离，单位有 m、cm、m、nm、埃。
• 波速 c：电磁辐射传播的速度，电磁辐射在不同介质中传 播速度是不同，只有在真空中所有电磁辐射的传播速度才 相同，都等于光速。
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
2. 光与物质的相互作用
电磁辐射与物质相互作用的方式：
发射、吸收
粒子性
反射、折射、透射、散射、干涉、衍射 波动性
（1）吸收 辐射能作用于物质后， 物质选择性地接受一定波长（频率） 的辐射能，从低能态跃迁至高能态 (激发态)，这种现象称为吸收；基 于这种现象建立起来的分析方法称 为吸收光谱法。
第十章 光学分析法导论 Optical analysis
光学分析法是基于电磁辐射与物质相 互作用辐射信号或发生的变化来测定物质 的性质、含量、结构的一类分析方法。
光学分析方法涉及到三个要素： ①能源 提供能量
电磁辐射、声波、电子流、离子流
②能量与物质的相互作用
电场-物质、磁场-物质
③分析信号的产生及其检测
拉曼散射 光子与介质产生非弹性碰撞，不仅改变了光子的 运动方向，还有能量交换，产生与入射光不同波长的散射光 （ Raman散射）。这种散射与物质分子的振动和转动能级有 关，可以表征分子振动和转动能级的特性。
（5）折射和反射
（6）干涉
当频率相同，振动方向相同，周期相等(或周期差保持恒定)的 光波互相叠加时，产生明、暗相间的条纹，这种现象称为干涉。
•
c = = 3×1010 cm•s-1
• 波数K: 是1 cm内波的数目，单位为cm-1。
•
K = 1/ wk.baidu.com
(2) 粒子性 当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，
就会发生能量跃迁。此时，电磁辐射不仅具有波的特 征，而且具有粒子性，最著名的例子是光电效应现象 的发现。
E h hc
λ
E --光子的能量 J, 焦耳
-射线
5~140 pm
核能级
X-射线 远紫外光
10-
10~200n
3~10nm
m
原子内层电子
近紫外光
可见光
200~400nm 400~750nm
原子外层电子/分子成键电子
莫斯鲍尔光谱法:-射线原子核 -射线吸收
远紫外光----真空紫外区。此部分光谱会被空气吸收
X-射线吸收光谱法: X-射线/放射源原子内层电子（n>10) X -射线吸收 X-荧光光谱法: X-射线原子内层电子 特征X -射线发射
υ ---光子的频率 Hz, 赫兹
---光子的波长 cm
C ---光速
2.99791010 cm.s-1
h ---Planck常数 6.625610-34 J.s 焦耳. 秒
光子的能量只与频率有关，与光强无关
能态（Energy state） 物质粒子总是处于特定的不连续的能量状态，即能 量是量子化的（电子能态，振动能态，转动能态）；处 于不同能量状态粒子之间发生能量跃迁时的能量差 E 可用 h 表示。
A=lg(1/T)=εbc
A为吸光度
T为透光度,是透射光强度/入射光强度
c为吸光物质的浓度
b为吸收层厚度
注意单位！
（2）发射 处于高能态 （激发态）的物质不稳定， 通过约10-8s释放能量返回 基态，若以发射光子的形式 放出能量，则得到发射光谱。
发射光谱法：物质中的粒子用一定的能量（如光、 电、热等）激发到高能级后，当跃迁回低能级时， 便产生出特征的发射光谱，利用此发射光谱进行 的分析的方法。
以能量（吸光度或透过率）为纵坐标， 波长（或频率）为横坐标的曲线为吸收 光谱图（或吸收曲线）。
Spectrum of ozone
吸收光谱法：利用物质吸收光后所产生的吸收光谱进行分析的方法
比尔定律：当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射
的吸光物质时，其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层
厚度b成正比
1、热能激发发光，发射谱线强度与物质浓度的关 系——赛伯-罗马金公式：
a为比例系数，b为自吸系数
原子发射光谱定量分析公式 2、光致发光，发射谱线强度与物质浓度的关系：
I = kc
即在Io一定的情况下，光强度与被测物质的浓度成 正比
荧光光谱及磷光光谱
吸收或发射过程的要素：
①物质与光子发生碰撞；
②E光子=△EM*/M； ③E光子 与物质的△EM*/M是量子化的； ④吸收与发射分别产生吸收或发射光谱。
波谱区 近红外光 中红外光 远红外光
微波
射频
波长
0.75~2.5 2.5~50 50~1990 0.1~100c
m
m
m
m
1~100 m
跃迁类型
分子振动
近红外光谱区:配位化学的研究对象
分子转动 电子、核自旋
两个重要推论： 物质粒子存在不连续的能态，各能态具有特定的
能量。当粒子的状态发生变化时，该粒子将吸收或发射 完全等于两个能级之间的能量差；反之亦是成立的，即
E =E1-E0=h
（3）电磁波谱
电磁辐射按波长(或频率、波数、能量)大小顺序排列得到电磁波谱
电磁波谱与现代仪器分析方法
波谱区 波长
跃迁类型
吸收
基态 M
+ hν
M
* 激发态
- hν
发射
（3）透射
频率不变
折射率
c ：真空中的光速 c2：介质中的光速
不同介质，折射率不同 同一介质对不同波长的光，折射率不同
色散曲线
正常色散区：用于透镜，减小色差 非正常色散区：用于棱镜的分光功能
（4）散射
瑞利散射 当介质的分子比光的波长小时发生Rayleigh 散射。 光子与介质分子产生弹性碰撞，只改变传播方向而没有能量 交换的分子散射。散射光强与波长的四次方成反比 I ∝λ－4。
1. 电磁辐射的性质
电磁辐射：以极大速度通过空间，不需要以任何 物质作为传播媒介的一种电磁波（能量），电磁 波是振荡并互相垂直的电场E和磁场M的结合。
这些电磁辐射包括从射线到无线电波的所有电磁 波谱范围(不只局限于光学光谱区)。 波动性 粒子性
(1) 波动性
电磁辐射为正弦波（波长、频率、速度、振幅）。与其 它波，如声波不同，电磁波不需传播介质，可在真空中传输。
电场
y = A sin(t + ) = A sin(2vt + )
磁场
单色平面偏振光的传播
传播方向
• 频率：一秒内电磁场振荡的次数，单位Hz或s-1。
– 只决定于辐射源，与介质无关
• 波长：是电磁波相邻两个同位相点之间的距离，单位有 m、cm、m、nm、埃。
• 波速 c：电磁辐射传播的速度，电磁辐射在不同介质中传 播速度是不同，只有在真空中所有电磁辐射的传播速度才 相同，都等于光速。
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
2. 光与物质的相互作用
电磁辐射与物质相互作用的方式：
发射、吸收
粒子性
反射、折射、透射、散射、干涉、衍射 波动性
（1）吸收 辐射能作用于物质后， 物质选择性地接受一定波长（频率） 的辐射能，从低能态跃迁至高能态 (激发态)，这种现象称为吸收；基 于这种现象建立起来的分析方法称 为吸收光谱法。
第十章 光学分析法导论 Optical analysis
光学分析法是基于电磁辐射与物质相 互作用辐射信号或发生的变化来测定物质 的性质、含量、结构的一类分析方法。
光学分析方法涉及到三个要素： ①能源 提供能量
电磁辐射、声波、电子流、离子流
②能量与物质的相互作用
电场-物质、磁场-物质
③分析信号的产生及其检测
拉曼散射 光子与介质产生非弹性碰撞，不仅改变了光子的 运动方向，还有能量交换，产生与入射光不同波长的散射光 （ Raman散射）。这种散射与物质分子的振动和转动能级有 关，可以表征分子振动和转动能级的特性。
（5）折射和反射
（6）干涉
当频率相同，振动方向相同，周期相等(或周期差保持恒定)的 光波互相叠加时，产生明、暗相间的条纹，这种现象称为干涉。
•
c = = 3×1010 cm•s-1
• 波数K: 是1 cm内波的数目，单位为cm-1。
•
K = 1/ wk.baidu.com
(2) 粒子性 当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，
就会发生能量跃迁。此时，电磁辐射不仅具有波的特 征，而且具有粒子性，最著名的例子是光电效应现象 的发现。
E h hc
λ
E --光子的能量 J, 焦耳
-射线
5~140 pm
核能级
X-射线 远紫外光
10-
10~200n
3~10nm
m
原子内层电子
近紫外光
可见光
200~400nm 400~750nm
原子外层电子/分子成键电子
莫斯鲍尔光谱法:-射线原子核 -射线吸收
远紫外光----真空紫外区。此部分光谱会被空气吸收
X-射线吸收光谱法: X-射线/放射源原子内层电子（n>10) X -射线吸收 X-荧光光谱法: X-射线原子内层电子 特征X -射线发射
υ ---光子的频率 Hz, 赫兹
---光子的波长 cm
C ---光速
2.99791010 cm.s-1
h ---Planck常数 6.625610-34 J.s 焦耳. 秒
光子的能量只与频率有关，与光强无关
能态（Energy state） 物质粒子总是处于特定的不连续的能量状态，即能 量是量子化的（电子能态，振动能态，转动能态）；处 于不同能量状态粒子之间发生能量跃迁时的能量差 E 可用 h 表示。
A=lg(1/T)=εbc
A为吸光度
T为透光度,是透射光强度/入射光强度
c为吸光物质的浓度
b为吸收层厚度
注意单位！
（2）发射 处于高能态 （激发态）的物质不稳定， 通过约10-8s释放能量返回 基态，若以发射光子的形式 放出能量，则得到发射光谱。
发射光谱法：物质中的粒子用一定的能量（如光、 电、热等）激发到高能级后，当跃迁回低能级时， 便产生出特征的发射光谱，利用此发射光谱进行 的分析的方法。
以能量（吸光度或透过率）为纵坐标， 波长（或频率）为横坐标的曲线为吸收 光谱图（或吸收曲线）。
Spectrum of ozone
吸收光谱法：利用物质吸收光后所产生的吸收光谱进行分析的方法
比尔定律：当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射
的吸光物质时，其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层
厚度b成正比
1、热能激发发光，发射谱线强度与物质浓度的关 系——赛伯-罗马金公式：
a为比例系数，b为自吸系数
原子发射光谱定量分析公式 2、光致发光，发射谱线强度与物质浓度的关系：
I = kc
即在Io一定的情况下，光强度与被测物质的浓度成 正比
荧光光谱及磷光光谱
吸收或发射过程的要素：
①物质与光子发生碰撞；
②E光子=△EM*/M； ③E光子 与物质的△EM*/M是量子化的； ④吸收与发射分别产生吸收或发射光谱。