光学分析法概述

合集下载
相关主题
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
第二章
光学分析法概述
主要内容
¯ 2.1 光学分析法及其特点 ¯ 2.2 电磁辐射及电磁波谱 ¯ 2.3 光学分析法分类 ¯ 2.4 光谱法仪器
2.1 光学分析法及其特点
光学分析法:基于电磁辐射能量与待测物质相 互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系 所建立起来的分析方法;
电磁辐射范围:γ射线~无线电波所有范围; 相互作用方式:发射、吸收、反射、折射、散 射、干涉、衍射等;
2.3 光学分析法分类
非 光 谱 法:基于物质与辐射相互作用时, 测量辐射的某些性质,如折射、散射、干涉、 衍射和偏振等变化的分析方法。
非光谱法不涉及物质内部能级的跃迁,电磁辐 射只改变了传播方向、速率或某些物理性质。如 折射法、偏振法、散射法、干涉法、旋光法、圆 二色法、比浊法、衍射法等。
2.3 光学分析法分类
2.4 光 谱 法 仪 器
2. 平面光栅衍射的性能指标 色散率 分辨率 闪耀特性 1). 平面光栅的色散率:
准直装置
入射狭缝
① 角色散率 ② 线色散率
平面反射光栅
聚焦装置
f
聚焦面 出射狭缝
2.4 光 谱 法 仪 器
2. 平面光栅衍射的性能指标 色散率 分辨率 闪耀特性 1). 平面光栅的色散率:
件优化确定最佳狭缝宽度。
2.4 光 谱 法 仪 器
六. 吸收池: 光源与试样相互作用的场所,一般由透明材
料制成。如: 紫外光区:石英材料 可见光区:硅酸盐玻璃 红外光区:NaCl、KBr等晶体
2.4 光 谱 法 仪 器
七. 检测器:
在现代仪器中,用光电转换器作为检测器。
(1)光检测器 主要有以下几种: 硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检
透射光栅,反射光栅; 平面反射光栅(闪耀光栅) 和凹面反射光栅 平面反射光栅: 300~2000条/mm
2.4 光 Βιβλιοθήκη Baidu 法 仪 器
光的衍射: 光在传播路径中,遇到不透明或透明的障碍物,绕过障碍
物,产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。
白光衍射条纹
2.4 光 谱 法 仪 器
光的干涉: 当频率相同、振动方向相同、相位差恒定的两列相干光波
光源;单色器;样 品;检测器;显示与 数据处理。
2.4 光 谱 法 仪 器
二. 光源:
依据方法不同,采用不同的光源:火焰、灯、激光、电 火花、电弧等;依据光源性质不同,分为:
ó连续光源:在较大范围 提供连续波长的光源,氢 灯、氘灯、钨丝灯等;
ó线光源:提供特定波长
的光源,金属蒸气灯(汞灯、 钠蒸气灯)、空心阴极灯、 激光等;
为了降低零级光谱的强度,将辐射能集中于所要求的 波长范围,近代的光栅采用定向闪耀的办法。
2.4 光 谱 法 仪 器
将反射光栅的线槽加工 成适当形状能使有效强度集 中在特定的衍射角上。
图所示反射光栅是由与 光栅表面成β角的小斜面构 成(小阶梯光栅,闪耀光栅) ,β角叫做闪耀角。
闪耀波长 b 闪耀角 θα
2.4 光 谱 法 仪 器
3). 平面光栅衍射的闪耀特性: nλ = d (sinα+sinθ)
非闪耀光栅其能量分布与单缝衍射相似,大部分能量 集中在没有被色散的“零级光谱”中,小部分能量分散在其 它各级光谱。
零级光谱不起分光作用,不能用于光谱分析。而色散 越来越大的一级、二级光谱,强度却越来越小。
2.4 光 谱 法 仪 器
2). 平面光栅的分辨率:R (将两条靠的很近的谱线分开的能力) 光栅的分辨率R 等于光谱级次(n)与光栅刻痕条数
(N)的乘积:
N 为光栅的总刻线数,与面积有关。 N=W/d;W为总刻线宽度。
l 为两条谱线的平均波长。
Dl 为刚好能分开的两条谱线的波长差。
光栅越宽、单位刻痕数越多,R 越大!
① 角色散率:dθ/dλ (衍射角对波长的变化率)
当入射角不变时,光栅的角色散率可通过对光栅公式求 导得到:
② 线色散率:dl /dλ (两条波长相差dλ的光谱线在成像焦面 上分开的距离dl)
f—会聚透镜的焦距
2.4 光 谱 法 仪 器
当θ=00~80时,cosθ=1~0.99:
光栅的角色散率和线色散率可以认为是常数,不随波长 改变。这样的光谱称为“匀排光谱” (优于棱镜之处)。
E0
原子吸收光谱
2.3 光学分析法分类
B. 分子光谱 带光谱 Band spectra 分子的电子能级、振动能 级和转动能级变化; 由几个光带和暗区相间而 成的光谱。
分子发射光谱
带 光 谱
分子吸收光谱
2.3 光学分析法分类
光学分析法 光谱分析法
原子光谱
分子光谱
原原原 X 射
子子子 吸发荧线
荧 收射光
具有光谱范围宽、色散 率大、分辨率好等突出优点。
2.4 光 谱 法 仪 器
由于采用高光谱级次,因此光谱线的重叠现象十分严重。 为了将不同级次的重叠谱线分开,通常采用交叉色散的原理, 即使谱线色散方向与谱线散开方向正交,在焦面上形成一个 二维色散图像。方法通常是在光路的后方安放一个辅助色散 元件。
中阶梯光栅 分光系统:
2.4 光 谱 法 仪 器
习题1:对一块宽度为 50.0 mm,刻线数为1200 条/mm的光栅, 它的一级光谱的分辩能力为多少?在6000 埃 附近能分辨的 两条谱线的波长差为多少?
习题2:用刻有2000条/mm的光栅来色散Li的460.20nm和460.30nm 两条谱线(一级谱线),计算光栅的分辨率和宽度。
光 光光光 谱谱谱光


分分核
外红子子磁
可外荧磷共
见光光光振
光谱光光波
谱法谱谱谱

法法法
2.3 光学分析法分类
A. 吸收光谱法: 原子吸收光谱、紫外-可见分光光度法、红外吸收光谱、 核磁共振等
B. 发射光谱法: 原子发射光谱、原子荧光光谱、分子荧光光谱、X射线 荧光光谱等
C. 散射光谱法: 拉曼光谱等
光学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替代的地位!
2.2 电磁辐射及电磁波谱
一. 电磁辐射的波粒二象性:
1.电磁辐射的波动性
波 长— l cm、µm、nm、Å 频 率— υ Hz sec-1 光 速— c 2.9979´1010 cm.s-1
散射 折射与反射 衍射 干涉 偏振
2.4 光 谱 法 仪 器
IRIS Advantage 中阶梯光栅 分光系统(实物图)
2.4 光 谱 法 仪 器
五. 狭缝:
构成:狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金属组 成。两片金属处于相同平面上且相互平行。入射狭 缝可看作是一个光源。
整个单色器的分辨能力除与分光元件的色散率有关 外,还与狭缝宽度有关。 有效带宽S:指单色器出射狭缝的辐射波长区间宽度。
D: 线色散率的倒数; W : 狭缝宽度;
当单色器的色散率固定时,有效带宽随狭缝宽度变化。
2.4 光 谱 法 仪 器
狭缝宽度的选择原则:
Ø 定性分析:选择较窄的狭缝宽度—提高分辨率,减少
其它谱线的干扰,提高选择性;
Ø 定量分析:选择较宽的狭缝宽度—增加照亮狭缝的亮
度,提高分析的灵敏度;
Ø 应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通过条
微波
无线电波
波长 0.8~2.5µm 2.5~50µm 50~1000µm 1~300mm >300mm
跃迁类型
分子振动能级
分子转动能级 电子和核的自旋能级
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
2.电磁辐射的粒子性 光电效应 康普敦效应 黑体辐射
普朗克(Planch)公式: E --光子的能量 J, 焦耳
υ ---光子的频率 Hz, 赫兹
l ---光子的波长 cm
c ---光速
2.9979´1010 cm.s-1
h ---Planch常数 6.6256´10-34 J.s 焦耳. 秒
2.2 电磁辐射及电磁波谱
测器、半导体检测器。
(2)热检测器 主要有: 真空热电偶检测器;热释电检测器。
2.4 光 谱 法 仪 器
八. 信息处理与显示装置: 现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、
信号处理、数据分析、结果打印,工作站软件系 统;
学习要求
¯ 掌握光学分析法内涵和分类。 ¯ 掌握光谱仪的主要部件,特别是单色器的组成。 ¯ 掌握光栅单色器的色散方程,特别是色散率、
2.4 光 谱 法 仪 器
三. 单色器:
单色器:获得高光谱纯度辐射束的装置,它的作用是将复 合光分解为单色光或有一定宽度的谱带。
2.4 光 谱 法 仪 器
棱镜单色器基本组成:
入射狭缝
准直装置
聚焦装置 f
色散装置
聚焦面 出射狭缝
主要部件:
(1)入射狭缝; (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)聚焦装置(透镜或反射镜),使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像 。 (5)出射狭缝。
分辨率公式,并进行简单计算。
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
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
2.2 电磁辐射及电磁波谱
波谱区 近红外光 中红外光 远红外光
b
a
d
2.4 光 谱 法 仪 器
中阶梯光栅:
1949 年 , 由 美 国 麻 省 理 工学院的Harrison教授提出 的一种特殊光栅。
中阶梯光栅是一种刻槽 密度低(8~80条/mm)、刻槽 深度大(µm级)、分辨率极高 的衍射光栅。
它通过增大闪耀角 β(63.26°) , 利 用 高 光 谱 级 次(n=40~120)的方法来提高 分辨率。
2.4 光 谱 法 仪 器
入射狭缝
棱镜单色器基本组成:
聚焦装置 f
准直装置
色散装置
聚焦面 出射狭缝
准直装置
光栅单色器基本组成:
聚焦装置
f
入射狭缝
平面反射光栅
聚焦面 出射狭缝
2.4 光 谱 法 仪 器
四. 光栅:
光栅由玻璃片或金属片制成,上面精确地刻有大量宽度和 距离都相等的平行线条(刻痕),可近似的将它看成一系列 等宽度和等距离的狭缝。
2.3 光学分析法分类
光 谱 法:是基于物质与辐射作用时,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进行分析的方
法。
原子发射光谱 E3
A. 原子光谱
E2
线光谱 Line spectra
E1
原子内层和外层电子能级变化;
由若干条强度不同的谱线和暗区
相间而成的光谱.
二.电磁波谱与现代仪器分析方法:
波谱区 g-射线 X-射线 远紫外光 近紫外光
波长 <0.005nm 0.005~10nm 10~200nm 200~400nm
波谱区 近红外光 中红外光 远红外光
微波
波长 0.8~2.5µm 2.5~50µm 50~1000µm 1~300mm
可见光 400~800nm 无线电波
相遇叠加,在叠加区域某些点的光振动失重加强,某些点的 光振动始终减弱,即在干涉区域内振动强度有稳定的空间分 布。
白光干涉条纹
2.4 光 谱 法 仪 器
光栅的衍射条纹是衍射和干涉 的总效果。
1. 平面光栅衍射的色散方程: nλ = d (sinα+sinθ)
n—(级数) 0, 1, 2,… d --为光栅常数 α--为入射角 θ--为衍射角
>300mm
2.2 电磁辐射及电磁波谱
波谱区 g-射线 X-射线 远紫外光
波长 <0.005nm 0.005~10nm 10~200nm
跃迁类型 核能级
原子内层电子能级
近紫外光
可见光
200~400nm 400~800nm
原子/分子外层电子能级
莫斯鲍尔光谱法:g-射线®原子核® g-射线吸收
远紫外光----真空紫外区。此部分光谱会被空气吸收
光学分析法
非光谱分析法
光谱分析法
圆X


射 线


射色衍涉 光
法性 法 法



原子光谱
原原原 X 射
子子子 吸发荧线
荧 收射光
光 光光光 谱谱谱光

分子光谱

分分核
外红子子磁
可外荧磷共
见光光光振
光谱光光波
谱法谱谱谱

法法法
2.4 光 谱 法 仪 器
一. 光谱仪器的基本单元:
光谱仪器通常包括 五个基本单元:
相关文档
最新文档