光学分析法导论(4)
仪器分析光学分析法导论
电磁辐射具有波动性和微粒性（波粒二象性）： （1） 光的波动性： 光的传播如光的折射、衍射、偏振和干扰等现象可以用光的波动性来解释。 描述波动性的重要参数是波长、频率和光速C，它们的关系是 ：
＝C ∕
波动性
波长
频率
c光速＝2.9979×108m·s-1 ＝2.9979×1010cm·s-1
分子荧光分析法 某些物质被紫外光照射激发后，在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光，通过测量荧光强度进行定量分析的方法。
3.原子荧光分析法
原子受高能辐射，其内层电子发生能级跃迁，发射出特征X射线（ X射线荧光），测定其强度可进行定量分析。
6.X射线荧光分析法
利用化学反应提供能量，使待测分子被激发，返回基态时发出一定波长的光，依据其强度与待测物浓度之间的线性关系进行定量分析的方法。
三、光分析法分类 type of optical analysis
光分析法可分为光谱法和非光谱法两大类。 光谱法是以光的吸收，发射和拉曼散射等作用而建立的光谱方法。这类方法比较多，是主要的光分析方法。 １．光谱法 光谱法是基于物质与辐射能作用时，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。 １）吸收光谱法：它是利用物质吸收光后所产生的吸收光谱来进行分析的方法。 ２）发光光谱法：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 ３）散射光谱法：利用物质对光的散射来进行分析的方法。
三、物质和光的作用
2、物质吸收和发光的过程示意图
不发光，发热
发光，波长最短，不发热
发光，波长最长，发热
发光，波长变长，发热
光学分析法导论
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。
2 章 光学分析法导论
当棱镜位于最小偏向角位置时
式中, m为棱镜数目; b为棱镜底边长; dn/dλ为棱镜材料的色散率。 由上式可以看出,理论分辨率的大小与棱镜材料、形 状、个数及所选波长有关，长波的分辨率要比短波的 分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。
2. 光栅 光栅是由大量等宽、等距离、相互平行的狭缝(或反 射面)构成的光学元件。 从工作 原理上 分： 透射光栅 反射光栅
非光谱法－折射、散射、干涉、衍射、偏振和圆二色等
光 学 分 析 法 光谱法
X射线荧光分析法
光致发光 发射光谱法
原子荧光
分子荧光
分子磷光
原子发射光谱法
非辐射发光
紫外-可见 原子吸收光谱法 吸收光谱法 红外光谱法 核磁共振波谱法
化学发光法
２－3 光谱法仪器
光谱仪通常由五个部分组成：光源、单色器、试样 池、检测器、读数器件。 2-3-1光源 依据方法不同，采用不同的光源。光源有连续光源和 线光源等。 1.连续光源：在较宽波长范围内发射强度平稳的具有 连续光谱的光源。 如氢灯、氘灯、钨丝灯。 2.线光源：提供特定波长的光源。 如空心阴极灯、金属蒸气灯、激光。
I
K=-1
0
一级光谱
(3) 当K 与的乘积相同时
k1 1=k2 2=k3 3=‥‥‥ 出现光谱重叠 如： K=1×800nm=2×400nm =3×267nm=4×200nm
0
一级光谱 二级光谱
三级光谱
光谱重叠消除
• 滤光片 • 感光板 • 谱级分离器
（2）光栅的光学特性 常用色散率、分辨率和集光本领（闪耀特性）来表示。 色散率——表示不同波长的光谱线色散开的能力。
1J (焦耳) 1Cal (卡) 1erg (尔格) 1eV
二章节光学分析法导论-
4s2基态 4
激发态 4 (4s1,4p1)
00
10
1 2 3
0
1
2 1 0
41s
41s0
41p
41p1
43p2
பைடு நூலகம்43p
43p1
43p0
单 单
三
1
3
5 3 1
( l1=0, l2=1 L=1; ms=+1/2, -1/2, S=0, 1; J=L+S 到 L-S )
(二)、能级图
把原子中可能存在的光谱项---能级 及能级跃迁用平面图解的形式表示 出来, 称为能级图。见钠原子的能 级图。
激发态 →基态以光辐射形式释放出来，把释放 的光辐射按波长排列下来称为发射光谱
吸收或发射的光子的能量
E光 = h = E2-E1=E= E转+ E振+ E电 E转﹤E振﹤ E电
三、光谱及光谱分析法的分类
1. 原子光谱和分子光谱 气态原子纯电子能级跃迁 线状光谱
原子光谱
气态或溶液中分子电子、振动、转动能级跃迁 带状光谱
L≥S时，2S+1就是内量子数，同一光谱项 中包含的J值不同。把J值不同的光谱项
称为光谱支项; 用 n2S+1LJ
在磁场作用下,同一光谱支项会分裂成 2J+1个不同的支能级;外磁场消失,分裂 能级亦消失. 2J+1为能级的简并度或统 计权重g
Ca原子的基态与激发态的光谱项
n L S J 光谱项 光谱支项 多重性 简并度
习惯上将多重性为1、2、3的光谱项分别称 为单重态、双重态、三重态。
例： Na价电子组态3s1,一个价电子,电子自旋 取 1/2; S=1/2。M=2S+1=2，产生双重线,L=0
仪器分析 光学分析法导论
1 1
2 2
3 3
h6.61 2-0 6 3J4S
实用文档
每个光子的能量与相应频率或波长之间的关系为
hhc hc
普朗克 方程
1. 普朗克公式把光的粒子性与波动性统一起来，不 同波长的光能量不同。
2. 光量子的能量和波长成反比，和频率及波数成正比。
λ越长，ε越小，ν、σ越低
可用波数表示能量的高低实用文，档 单位 cm-1。
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光波动说的创始人惠更斯
麦克斯韦证明光是 一种电磁波，于是光 的波动学说更战胜了 粒子学说，在相当长 时期占据统治地位；
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20 世 纪 初 ， 爱 因 斯 坦 光子学说解释光电效应得 到成功，并进一步被其它 实验证实，迫使人们在承 认光是波的同时又承认光 是由一定能量和动量的粒 子（光子）所组成。光具 有波动和微粒的双重性质， 就称为光的波粒二象性， 其波粒二象性可以被波动 力学统一起来。
b. 光学光谱区： 10nm ＜ λ ＜ 1mm， 光谱分析法 102 eV ＞ ε ＞ 10-4 eV
c. 波 谱 区： λ＞1mm， ε＜ 10-4 eV
波谱分析法
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§2-2 光学分析法的分类
一. 根据测量的信号是否与能级跃迁有关，可分为：
1．光谱法：与能级跃迁有关
发射光谱法 吸收光谱法 散射光谱法
2．非光谱法：与能级跃迁无关
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2-2-1. 发射光谱法
通过测量分子或原子的特征发射光谱来研究物质结构 和测定其化学组成。
M* hν
M
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2-1-3．电磁波谱
按波长或频率的大小顺序排列起来的电磁辐射
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光学分析法导论
第二节 光学分析法旳分类
二、光谱法
2）按电磁辐射本质分类
原子光谱（涉及离子光谱）——由原子或离子外层电子 旳跃迁产生，具有明显 旳线光谱特征
分子光谱——由分子中电子能级及分子旳振动、转动能 级旳跃迁产生，大多具有带光谱特征
第二节 光学分析法旳分类
二、光谱法
3）按辐射能传递方式分类 发射光谱——处于激发态旳原子分子或离子由高 能级跃迁回低能级或基态发射出相应旳光谱
第三节 原子光谱和分子光谱
一、原子光谱
主量子数( n )：描述核外电子是在那个电子壳层上运动。 n = 1、 2、 3、 4、 5、 6、7、••••••••
符号 K、L、M、N、O、P、Q、••••••••
角量子数( l )：描述核外电子云旳形状。
l = 0、1、 2、 3、 4、••••••••
第三节 原子光谱和分子光谱
一、原子光谱
主量子数(n)：
n =1、 2、 3、 4、 5、 6、7、••••••••
总角量子数(L)：
L= l,
对于2个价电子： L = ( l1+ l2)、 ( l1+ l2-1)、•••、 ( l1- l2)
总自旋量子数(S)：对于N个价电子：N/2, N /2 -1, N /2 -2,..,1/2,0
>2.5*105
X一射线 0.005-10nm 2.5*105 -1.2*102
高能辐射区
远紫外 10200nm 1.2*102-6.2
近紫外 200
可见光 400
近红外 0.782.5
中红外 2.550
远红外 501000m 2.5*10-2-1.2*10-4
中能辐射区
微波 0.1100cm 1.2*10-4-1.2*10-7
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。
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
《仪器分析》第十章光学分析法导论
λ1 λ2 λ3
θ1
b
等边型棱镜的色散
θ2
λ1
λ2
λ3
棱镜对相邻波长的光的色散能力可以用棱镜的角色散率 来衡量，即以折射角θ作为波长的函数而改变的速率：dθ/dλ
d d dn d dn d
dθ/dn是指θ棱镜材料折射率n的变化，dn/dλ代表折射率随着 波长的变化。前者取决于棱镜的几何形状，后者就是棱镜材 料的色散率。
子 子子 射
发
吸荧
线 荧
射 收光 光
原子光谱法
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
紫红分分核化 外外子子磁学 可可荧磷共发 见见光光振光
分子光谱法
发射光谱法
原原分分 X 化
子子子子 射 学
发
荧
荧
磷
线 荧
发
射光光光 光 光
电磁波谱区及常用光学分析方法
光谱区域 γ射线 X射线 光学区
ni=c/vi 因为光传播的速度与频率有关，而c是常数，因此折射率是随 着频率改变而改变的，即波长不同的光的折射率不同。
当光束从一种介质到另一种介质时，由于两个介质的 密度不同使得光束在二介质中的传播速度不同，并且方向 也发生改变的现象成为折射。折射由斯涅耳（Snell）定律 表示：
入射
反射
i1 r1 1
5、光学方析法的应用
光学分析法是仪器分析中种类最多的一大类分析方法， 目前已达几十种之多，应用范围十分广泛：工农业生产、 国防、医药卫生、生物、地质矿产、环境保护等各领域， 几乎所有需要分析测试的领域，都有可能用到光学分析方
6、光学分析仪器的组成
（1）光源 （2）波长选择器 （3）样品池 （4）检测器 （5）信号处理器及读出装置
第2章光学分析法导论
第2章光学分析法导论光学分析法是一种常用的分析方法，广泛应用于材料科学、化学、生物、医学等领域。
在分析过程中，通过光的吸收、散射、反射等性质来获得样品的信息。
本章将介绍光学分析法的基本原理和常见的应用。
1.光学分析法原理光学分析法是利用光与物质相互作用来获得样品信息的方法。
其中最基本的原理是光的吸收、散射和发射。
当光通过物质时，会与物质的分子或原子发生相互作用，导致光的振动矢量和频率发生改变。
通过测量光的吸收、散射或发射，可以得到物质的各种信息。
2.光的吸收法光的吸收法是通过测量物质对特定波长光的吸收来确定样品中其中一种物质的含量。
该方法常用于分析有机化合物和无机物中的金属离子含量。
测量方法包括光度法、比色法、比较法等。
其中最常见的是光度法，即通过测量光的强度来确定样品中物质的含量。
在实际应用中，可以根据吸收光谱图来确定样品中各种物质的含量和种类。
3.光的发射法光的发射法是通过测量样品发光的强度来确定样品的成分和性质。
发射光谱的特点是样品发射出符合波长的光，通常用于分析无机化合物中的金属元素。
常用的方法包括原子发射光谱法和荧光光谱法。
其中原子发射光谱法是在样品被激发时，各种金属元素自发射出特定波长的光，通过测量光的强度来确定金属元素的含量。
荧光光谱法则是通过将样品激发到荧光状态，然后测量样品散射出的荧光光强度来确定样品的成分和性质。
4.光的散射法光的散射法是通过测量光的散射强度来确定样品的成分和性质。
散射光谱的特点是样品散射出具有不同波长的光，通常用于分析颗粒物质的大小、浓度和形状等。
常用的方法包括拉曼光谱法和动态光散射法。
拉曼光谱法是通过测量样品散射光中与入射光具有不同频率和振幅的拉曼散射光来确定样品的成分。
动态光散射法则是通过测量样品散射光的强度和角度分布来估算样品颗粒的大小和浓度。
5.光学分析法的应用光学分析法在各个领域都有广泛的应用。
在材料科学中，可以通过测量光的吸收、发射和散射来研究材料的光学性质、结构和相变等。
《仪器分析》第十章光学分析法导论
广泛用于分析有机物、 生化物、药物等的浓 度和反应程度。
可以通过吸收峰的位 置和强度来推断样品 的成分。
应用实例
啤酒酿造中的应用
通过分光光度法测定麦芽糖 和苦味酸的含量，以控制啤 酒的口感。
环境水质检测
通过荧光光谱法和紫外/可见 吸收光谱法检测水中的有机 污染物和重金属。
药物分析
利用比色法测定药物成分的 含量，保证药品的质量和安 全性。
特点
操作简单快捷，结果直观 可靠。
荧光光谱法
1
原理
激发样品后，测量样品发出的荧光信号，通过荧光强度来判断样品的成分和性质。
2
应用
常用于分析有机物、药物、环境污染物等的存在与浓度。
3
特点
灵敏度高，测量速度快，样品准备简单。紫外/可见吸收光谱法来自1 原理2 应用
3 特点
测量物质对紫外或可 见光的吸收程度，推 断样品的成分和浓度。
《仪器分析》第十章光学 分析法导论
《仪器分析》第十章光学分析法导论
仪器分析第十章概述
本章介绍了仪器分析中的光学分析法，它是一种基于光学原理的分析技术。 通过利用光的特性，可以快速准确地分析物质的成分和性质。
光学分析法定义
光学分析法是一种利用光的特性进行分析的技术。它基于光的吸收、散射、发射等现象，通过测 量样品与光的相互作用来推断样品的组成和特性。
光学仪器分类
分光光度法
使用不同波长的光来测量样品的吸光度， 从而得到样品的浓度或反应程度。
荧光光谱法
利用物质在受到激发后发出的荧光信号， 来判断物质的存在与浓度。
比色法
通过比较样品和标准溶液的颜色差异，来 测量样品中某种物质的含量。
紫外/可见吸收光谱法
光学分析法导论
第七章 光学分析法导论
■是建立在物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用
基础上的各种分析方法的统称。 ■电磁辐射具有波粒二象性，能以巨大速度通过空间，不需 要以任何物质作为传播媒介的一种能量。 热能 M* M + 能量 电能 光能（hν） （激发态） （基态）
M + h
选择吸收
选择发射
第七章 光学分析法导论
●粒子性：
E=hν=hc /λ
E-光量子的能量，单位有J、kJ、eV。 1eV=1.602×10-19J h-普朗克(Planck)常数。
h= 6.626×10-34 J.s
第七章 光学分析法导论
●光波长300nm, 其波数是多少? 并计算该波长的光所具有的 能量（kJ/mol). 解： ν=ν/c=1/λ = 1/(300×10-7) = 3.33×104 (cm-1) 则单个光子的能量为： E= hν= hc /λ = 6.626×10-34×3×108/(300×109) = 6.626×10-19 (J) 1mol该光子具有的能量为： E´= 6.023×1023×6.626×10-19 = 33.91×104 (J/mol) = 3.39×102 (kJ/mol)
长余辉材料、自发光、荧光和磷光涂料等
2001年美国9.11事件中，断电黑暗中的世 贸大厦，慌乱的人群在自发光材料的指 引下只用1个半小时18000人安全疏散， 比起使用发光材料前1993年世贸大厦发 生的那场汽车炸弹爆炸事件中，6个多小 时的逃生经历，与2小时后大厦的倒塌， 死亡和惊险把它的作用安全指示的重要 性表述得淋淋尽致。 肖志国和他的路明（luminescence）公 司产品在国际市场上取得的业绩引起了 高度重视，公安部、建设部已联合审定 将发光消防安全疏散指示系统列入新审 定的国家消防规范进行实施， 天安门广场改造、人民大会堂、三峡工程、上海地铁、东方明珠电视塔、 上海金茂大厦等国家重点工程亦已率先使用……
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
光学分析法
第二节 光谱法仪器
用来研究吸收、发射或荧光的电磁辐射的强度和波 长的关系的仪器叫做光谱仪或分光光度计。这一类仪器 一般包括五个基本单元：光源、单色器、样品容器、检 测器和读出器件。
光源
单色器
检测器
读出器件
样 品 光源的作用是提供足够的能量使试样蒸发、原子化、激发，产生光 谱
发射光谱仪
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第二节 光谱法仪器
对于同一材料，光的折射率为其波长的函数。在可 见及紫外光谱域，可用下式表示：
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第二节 光谱法仪器
n = A + B/2 + C/4
式中n为折射率，为波长，A、B、C为常数。 由公式可见，波长越长，折射率愈小。当包含有不
同波长的复合光通过棱镜时，不同波长的光就会因折射 率不同而分开。这种作用称为棱镜的色散作用。色散能 力常以色散率和分辨率表示。
吸收或发射微波区的电磁辐射。在这种吸收光谱中不同
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第一节 光学分析法及其分类
化合物的耦合常数不同，可用来进行定性分析。根据耦 合常数，可用来帮助结构的确定。 6. 核磁共振波谱法
在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作用分 裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或
发射射频区的电磁波。利用这种吸收光谱可进行有机化 合物结构的鉴定，以及分子的动态效应、氢键的形成、 互变异构反应等化学研究。
种新型光源在Raman光谱、荧光光谱、发射光谱、 fourier变换红外光谱等领域极受重视。常用的激光器有 主要波长为693.4nm的红宝石激光器，主要波长为632.8 nm的He-Ne激光器和主要波长为514.5nm、488.0nm的Ar离 子器。
二、单色器
单色器的主要作用是将复合光分解成单色光或有一 定宽度的谱带。单色器由入射狭缝和出射狭缝、准直镜
光学分析方法导论
光学分析方法导论光学分析方法是现代分析化学中重要的一个分支，主要利用光的性质进行样品的分析和测量。
光学分析方法广泛应用于食品、环境、药物、化工等领域，具有灵敏度高、分析速度快、非破坏性等优点，因此在实际应用中得到了广泛的应用。
光学分析方法的基本原理是利用光与物质之间的相互作用进行样品的分析。
光信号的检测主要包括吸收、散射、发射、干涉等多种形式，根据这些信号的变化可以推断出样品中所含有的物质种类和含量。
光学分析方法的主要手段包括光吸收光谱法、光散射光谱法、荧光光谱法、拉曼光谱法等。
光吸收光谱法是光学分析方法中最常见的一种方法。
它利用物质对特定波长的光的吸收进行分析。
当光通过样品时，被样品吸收的光将减弱，而通过样品的光则变强。
通过测量样品吸收光的减弱程度，可以得到样品中所含物质的浓度。
常见的光吸收光谱法有紫外可见吸收光谱法、红外吸收光谱法等。
光散射光谱法是另一种常用的光学分析方法。
它利用光在物质中的散射进行分析。
光散射光谱法是一种非常灵敏的方法，可以用来分析微小颗粒的大小、浓度等。
光散射现象在日常生活中也常见，比如我们能够看到空气中的尘埃颗粒是因为光被尘埃颗粒散射而进入我们的眼睛。
荧光光谱法是通过激发物质中的分子或原子使其发生荧光现象，并通过测量荧光光的强度和波长来进行分析。
荧光光谱法具有高灵敏度、高选择性和高时效性的特点，广泛用于分析荧光染料、生物标记物等。
荧光光谱法也被广泛应用于生物医学领域，如生物荧光成像等。
拉曼光谱法是一种利用光与物质相互作用的分析方法。
与光吸收光谱法不同的是，拉曼光谱法主要是通过测量样品散射光中的拉曼散射光谱来进行分析。
拉曼光谱在分析物质分子结构、成分分析等领域具有广泛的应用。
光学分析方法在实际应用中具有许多优点。
首先，光学分析方法的灵敏度非常高，可以进行非常低浓度的物质分析。
其次，光学分析方法非常快速，可以在短时间内得到分析结果。
此外，光学分析方法还具有非破坏性的特点，可以对样品进行非破坏性分析，适用于需要保护样品完整性的领域。
《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
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等于两个能级之间的能量差；反之亦是成立的，即
E =E1-E0=h
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第二章光学分析法导论
二、电磁波谱
31010 1021
3108 1019
3106 1017
3104 1015
3102 1013
3100 1011
310-2 109
310-4 波数，cm-1 107 频率，Hz
1）光电效应（Photoelectric effect） 现象：1887，Heinrich Hetz（在光照时，两间隙间更 易发生火花放电现象） 解释：1905，Einstein理论，E=h 证明：1916，Millikan（真空光电管）
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第二章光学分析法导论
X 射线 射线
可见
微波
紫外
红外
无线电
10-4
10-2
100
102
104
106
108
图2.2电磁辐射波谱图
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第二章光学分析法导论
109 波长，nm
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电磁波谱与现代仪器分析方法
波谱区 -射线 X-射线 远紫外光 近紫外光
可见光
波长 跃迁类型
5~140 pm
核能级
10-
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第二章光学分析法导论
电磁辐 射 原子光谱和分子光谱
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第二章光学分析法导论
第一节 电磁辐射
光学分析法：根据物质发射的电磁辐射或电磁辐 射与物质相互作用建立起来的一类分析方法（Optical Methods of Analysis）。
2） 能态（Energy state） 量子理论(Max Planck，1900)： 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；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。
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
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
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
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第二章光学分析法导论
表2.1 电磁波谱区
光谱类型
波长范围 波数范围 量子跃迁类
1.3104-33 分子振动-转 动
微波吸收
0.75-3.75 mm
13-27
分子转动
电子自旋共振光谱
3 cm
0.33
磁场中电子
自旋
核磁共振
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0.6-10 m 1.710-2-1103 磁场中核自
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旋
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电磁波谱的排列从上到下随波长的逐渐增大，频率 和光量子的能量逐渐减小。（量变→质变）
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第二章光学分析法导论
(一) 光的波动性
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
传播方向
图2.1单光色平面偏振光的传播
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•
c = = 3×1010 cm•s-1
• 波数: 是1 cm内波的数目，单位为cm-1。
•
= 1/
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(二) 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，
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。
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第二章光学分析法导论
• 频率：一秒内电磁场振荡的次数，单位Hz或s-1。
• 波长：是电磁波相邻两个同位相点之间的距离， 单位有cm、m、nm。
• 波速 ：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。
型
-射线发射光谱
0.005-1.4A
--
核
X-吸收、发射、荧 0.1-100A
--
光、衍射光谱
内层电子
真空紫外吸收光谱 10-180 nm 1106-5104 外层键合电 子
UV-Vis 吸收、发射 180-780 nm 5104-1.3104 外层键合电
及荧光光谱
子
红外吸收 拉曼散射光谱
0.78-300 m
10~200n
3~10nm
m
原子内层电子
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
a. 高能辐射区
γ 核能级跃迁 X 内层电子能级
b. 光学光谱区
紫外 可见
红外
c. 低能辐射区
微波区 射频区
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第二节 原子光谱和分子光谱
一、原子光谱
（一）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 、磁量子数 m 和自旋量子数 s 来描述。
（二）光谱项
原子的能量状态需要用以 n、L、S、J 四个量子数 为参数的光谱项来表征。
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主要应用在物质组成和结构的研究，基团的识别， 几何构型的确定，表面分析；定量分析等方面
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一、电磁辐射的性质
电磁辐射：以巨大速度通过空间，不需要以任何 物质作为 传播媒介的一种能量。
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)。 电磁辐射与物质相互作用的方式有发射、吸收、 反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。
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
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第二章光学分析法导论
波谱区 近红外光 中红外.5~50 50~1990 0.1~100c
m
m
m
m
1~100 m