光谱分析法导论(中英文版)
合集下载
2第二章光谱分析法导论4
能级差），振动能级次之，转动能级的间距最小。
如果用△ E电子，△ E振动以及△E转动表示各能级差，则： △ E电子＞△ E振动＞△E转动
第二章 光谱分析法导论
第二章 光谱分析法导论
? 由图可见，在每一个电子能级上有许多间距
较小的振动能级，在每一个振动能级上又有许多 间距更小的转动能级。由于这个原因，处在同一 电子能级的分子，可能因振动能量不同而处于不 同的能级上。同理，处于同一电子能级和同一振 动能级上的分子，由于转动能量不同而处于不同 的能级上。
分子吸收光谱类型：远红外光谱、红外光谱及紫外-可见光谱三类。 分子的转动能级跃迁，需吸收波长为远红外光，因此，形成的光谱 称为转动光谱或远红外光谱。
第二章 光谱分析法导论
分类:
非光谱分析法
光分析法 光谱分析法
折 射 法
圆 二 色 性 法
X 射 线 衍 射 法
干 涉 法
旋 光 法
原子光谱分析法 分子光谱分析法
光谱的类型(按外形分类 )：
线光谱：一系列峰位确定的锐线组成，谱线宽度约10-5nm，由
单个气态原子产生；
带光谱：许多量子化的振动能级叠加在分子的基态电子能级
上，因谱线靠得太近仪器不能分辨而呈现带状；
连续光谱：在一定范围内，各种波长的光都有，连续不断，
无明显的谱线和谱带。炽热的固体、液体和高压气体的发射 光谱都是连续光谱.例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的 光都形成连续光谱 。 一般情况下，随着温度的升高，最大辐射能向短波方向移动
室温下，物质一般都处在他们的基态。
第二章 光谱分析法导论
3.辐射的发射
发射：处于激发态的粒子将吸收的能量以光的形式释放出 粒子的受激途径： ⑴电子或其它粒子轰击 --可得到X射线； ⑵高压交流火化、电弧、火焰等 --紫外、可见或红外辐射； ⑶电磁辐射照射 --荧光； ⑷化学反应热 —化学发光；
如果用△ E电子，△ E振动以及△E转动表示各能级差，则： △ E电子＞△ E振动＞△E转动
第二章 光谱分析法导论
第二章 光谱分析法导论
? 由图可见，在每一个电子能级上有许多间距
较小的振动能级，在每一个振动能级上又有许多 间距更小的转动能级。由于这个原因，处在同一 电子能级的分子，可能因振动能量不同而处于不 同的能级上。同理，处于同一电子能级和同一振 动能级上的分子，由于转动能量不同而处于不同 的能级上。
分子吸收光谱类型：远红外光谱、红外光谱及紫外-可见光谱三类。 分子的转动能级跃迁，需吸收波长为远红外光，因此，形成的光谱 称为转动光谱或远红外光谱。
第二章 光谱分析法导论
分类:
非光谱分析法
光分析法 光谱分析法
折 射 法
圆 二 色 性 法
X 射 线 衍 射 法
干 涉 法
旋 光 法
原子光谱分析法 分子光谱分析法
光谱的类型(按外形分类 )：
线光谱：一系列峰位确定的锐线组成，谱线宽度约10-5nm，由
单个气态原子产生；
带光谱：许多量子化的振动能级叠加在分子的基态电子能级
上，因谱线靠得太近仪器不能分辨而呈现带状；
连续光谱：在一定范围内，各种波长的光都有，连续不断，
无明显的谱线和谱带。炽热的固体、液体和高压气体的发射 光谱都是连续光谱.例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的 光都形成连续光谱 。 一般情况下，随着温度的升高，最大辐射能向短波方向移动
室温下，物质一般都处在他们的基态。
第二章 光谱分析法导论
3.辐射的发射
发射：处于激发态的粒子将吸收的能量以光的形式释放出 粒子的受激途径： ⑴电子或其它粒子轰击 --可得到X射线； ⑵高压交流火化、电弧、火焰等 --紫外、可见或红外辐射； ⑶电磁辐射照射 --荧光； ⑷化学反应热 —化学发光；
第二章 光谱分析法导论
26
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。
光谱分析法导论
（2）空极阴极灯
主要用于原子吸收光谱中，能提供许 多元素的特征光谱。
（3）激光
激光的强度非常高，方向性和单色性 好，它作为一种新型光源在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693.4 nm 的红宝石激光器 主要波长为632.8 nm的He-Ne激光器
（1）色散率（角色散率、线色散率和倒
线色散率）
棱镜的角色散率用 d 角
/ d 表示。
它表示入射线与折射线的夹角，即偏向
对波长的变化率。角色散率越大， 波长相差很小的两条谱线分得越开。
取一个棱角为的等边棱镜，它的折 射线与入射线的夹角叫做偏向角 。当 入射线射入棱镜内的折射线与棱镜底边平 行时，入射角与出射角相等，此时偏向角 最小。
样品
检测器
读出器件
原子化器
单色器
a
光电倍增管
空心阴极灯
样品
b
读出器件
吸收光谱仪
由光源发射的待测元素的锐线光 束（共振线），通过原子化器，被原 子化器中的基态原子吸收，再射入单 色器中进行分光后，被检测器接收， 即可测得其吸收信号。
光源
第一单色器
样品
第二单色器
检测器
记录放大系统
荧光光谱仪
由光源发出的光，经过第一单色器（激发
利用分子在红外区的振动- 转动吸收 光谱来测定物质的成分和结构。
5.
顺磁共振波谱法 在强磁场作用下电子的自旋磁矩
与外磁场相互作用分裂为磁量子数Ms值 不同的磁能级，磁能级之间的跃迁吸
收或发射微波区的电磁辐射。在这种 吸收光谱中不同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。
光谱分析法导论(中英文版)
a brief introduction of optical analysis
1.原子发射光谱分析法
以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的外 层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。
2.原子吸收光谱分析法
利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液中离 子转变成气态原子后，测定气态原子对共振线吸收而进行的 定量分析方法。
(2) 发射 将吸收的能量以光的形式释放出； (3) 散射 丁铎尔散射和分子散射； (4) 折射 折射是光在两种介质中的传播速度不同； (5) 反射 (6) 干涉 干涉现象； (7) 衍射 光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象； (8) 偏振 只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振 光。
21:49:51
21:49:51
3.原子荧光分析法
气态原子吸收特征波长的辐射后，外层电子从基态或低 能态跃迁到高能态，在10-8s后跃回基态或低能态时，发射出 与吸收波长相同或不同的荧光辐射，在与光源成90度的方向 上，测定荧光强度进行定量分析的方法。
4.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。
利用分子中基团吸收红外光产生的振动-转动吸收光谱进 行定量和有机化合物结构分析的方法。
10.核磁共振波谱分析法
在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分 为能量不同的核磁能级，吸收射频辐射后产生能级跃迁，根 据吸收光谱可进行有机化合物结构分析 。
21:49:51
11.顺磁共振波谱分析法
在外磁场的作用下，电子的自旋磁矩与磁场相互作用而裂 分为磁量子数不同的磁能级，吸收微波辐射后产生能级跃迁 ，根据吸收光谱可进行结构分析 。
1.原子发射光谱分析法
以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的外 层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。
2.原子吸收光谱分析法
利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液中离 子转变成气态原子后，测定气态原子对共振线吸收而进行的 定量分析方法。
(2) 发射 将吸收的能量以光的形式释放出； (3) 散射 丁铎尔散射和分子散射； (4) 折射 折射是光在两种介质中的传播速度不同； (5) 反射 (6) 干涉 干涉现象； (7) 衍射 光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象； (8) 偏振 只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振 光。
21:49:51
21:49:51
3.原子荧光分析法
气态原子吸收特征波长的辐射后，外层电子从基态或低 能态跃迁到高能态，在10-8s后跃回基态或低能态时，发射出 与吸收波长相同或不同的荧光辐射，在与光源成90度的方向 上，测定荧光强度进行定量分析的方法。
4.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。
利用分子中基团吸收红外光产生的振动-转动吸收光谱进 行定量和有机化合物结构分析的方法。
10.核磁共振波谱分析法
在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分 为能量不同的核磁能级，吸收射频辐射后产生能级跃迁，根 据吸收光谱可进行有机化合物结构分析 。
21:49:51
11.顺磁共振波谱分析法
在外磁场的作用下，电子的自旋磁矩与磁场相互作用而裂 分为磁量子数不同的磁能级，吸收微波辐射后产生能级跃迁 ，根据吸收光谱可进行结构分析 。
光谱分析法导论
分子散射
拉曼散射（λ散≠ λ入 ） （粒子直径小于入射光波长） I（散射光强）∝ν4∝1/λ4
2.1.4.4 折射与反射（Refraction and Reflection） 折射率 n=c/ν 相对折射率
sin i V1 n2 n2.1 sin r V2 n1
棱镜的分光作用
图2-10 光的反射与折射示意图
一种有效的结构分析手段
2.2.2.3 基于原子内层电子能级跃迁的光谱法 与原子内层电子能级跃迁相关的光谱法 为X射线分析法，它是基于高能电子的减速 运动或原子内层电子跃迁所产生的短波电磁 辐射所建立的分析方法，包括X射线荧光法、 X射线吸收法。
2.2.2.4 基于原子核能级跃迁的光谱法 基于原子核能级跃迁的光谱法为核磁共 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。
图2-2 原子吸收跃迁示意图
2. 分子吸收 特点： 分子能级的复杂性 连续光谱 紫外-可见（电子能级跃迁）和红外光谱 （振转能级跃迁）
分子总能量：
Ｅ分子＝Ｅ电子＋Ｅ振动
＋Ｅ转动
图2-3 电子能级吸收跃迁示意图
图2-4 分子振动能级吸收跃迁示意图
3. 磁场诱导吸收 将某些元素原子放入磁场，其电子和 核受到强磁场的作用后，具有磁性质的简 并能级将发生分裂，并产生具有微小能量 差的不同量子化的能级，进而可以吸收低 频率的电磁辐射。
第2章 光谱分析法导论 （Introduction to spectral analysis）
光分析法基础： 能量作用于待测物质后产生光辐射，该能量 形式可以是光辐射和其他辐射能量形式，也 可以是声、电、磁或热等能量形式； 光辐射作用于待测物质后发生某种变化，这 种变化可以是待测物质物理化学特性的改变， 也可以是光辐射光学特性的改变。
仪器分析第2章光谱分析法导论讲解课件
太阳光谱
折射和反射
• 当光线从介质 1 射到介质 2 的界面上，一部 分在介质 1 中改变其传播方向（反射），另 一部分在介质 2 中改变其传播方向（折射）。
• 反射光和折射光的能量分配是由介质的性质和 入射角的大小来决定的。
• 对于垂直于界面的光束，反射光部分可由下式 计算：
Ir I0
(n2 n1)2 (n2 n1)2
• 原子或分子的最低能态称为基态，较高能态 称为激发态。
光学分析法
非光谱法 光谱法
非光谱法
• 折射法：基于测量物质折射率的方法。 • 旋光法：利用光学活性物质的旋光性质进行
定量测定或纯度检验。 • 比浊法：测量光线通过胶体溶液或悬浮液后
的散射光强度来进行定量分析。 • 衍射法：基于光的衍射现象而建立的方法
分子发射
吸收辐射而被激发的原子和分子处在 高能态的寿命很短，它们一般要通过不同 的弛豫过程返回到基态
非辐射弛豫 辐射弛豫
非辐射弛豫
以非发光的形式释放能量的过程，此时 激发态分子与其他分子发生碰撞而将部分激 发能转变成动能并释放出少量的热量。结果 使体系的温度有微小的升高。
非辐射弛豫包括振动弛豫、内转移、外 转移和系间窜越等。
• 这些粒子只具有少数几个可能的能态。 • 激发作用是通过一个或几个电子跃迁到较高能
级实现的。
如 Na 蒸汽
589.30 nm 589.60 nm 3s→3p
285 nm
3s→5p
紫外和可见光区的能量足以引起外层电子或
价电子的跃迁。
分子吸收
分子的总能量E分子可以用下式表示: E分子= E电子+ E振动 + E转动
• 核磁共振波谱法（NMR） • 电子自旋共振波谱法（ESR）
光谱分析法导论
好等于物质的基态和某一激发态之间的能量差时，即 有：hv = E1 - E0，物质就会吸收辐射，从基态激发到 激发态。
⑵ 分子吸收 分子、甚至是双原子分子的光谱，要比原子光谱
复杂得多。这是由于分子所具有的能级数目比原子的 能级数目要多得多。
分子总能量
Ee 电子能量 Ev 振动能量 Er 转动能量
E=Ee+Ev+Er 1～20eV 1～0.05eV 0.05 ～0.005eV
入射的电磁波和物质的原子或分子相互作用，电
磁波的能量正好等于物质的基态和激发态之间的能量
差时,就会产生吸收光谱。
M+hv = M* hv = E1 - E0 利用物质的特征吸收光谱进行分析的方法称为吸收
光谱法。
吸收光谱法包括：原子吸收、分子吸收、磁场的 诱导吸收和弛豫过程。
⑴ 原子吸收 气态原子对特征辐射光波的吸收，其光波能量正
场的作用后，它们的磁性质会产生附加的量子化能级 。这种诱导能态间的能量差很小，它们的跃迁仅通过 吸收低频区的辐射来实现的。研究的方法是核磁共振 波谱（NMR）和顺磁共振波普法（ESR）
⑷ 弛豫过程 通过吸收辐射而被激发的原子或分子处在高能态
的寿命很短，它们要通过不同的弛豫过程返回基态。 ① 非辐射弛豫：通过与其它分子的碰撞将激发能转 变为动能，结果使体系的温度有微小的升高。 ② 荧光和磷光弛豫：原子或分子吸收电磁辐射后激 发至激发态，当返回基态时，以辐射能的形式释放能 量。荧光产生比磷光（亚稳态）迅速。 ③ 共振荧光：发射辐射的频率与用来激发的辐射的 频率完全相同的过程。
是与酶反应，可用于分析葡萄糖、乳酸、氨基酸等。
通过测量物质的发射光谱的波长和强度来进行定
性和定量分析的方法称为发射光谱分析法。
⑵ 分子吸收 分子、甚至是双原子分子的光谱，要比原子光谱
复杂得多。这是由于分子所具有的能级数目比原子的 能级数目要多得多。
分子总能量
Ee 电子能量 Ev 振动能量 Er 转动能量
E=Ee+Ev+Er 1～20eV 1～0.05eV 0.05 ～0.005eV
入射的电磁波和物质的原子或分子相互作用，电
磁波的能量正好等于物质的基态和激发态之间的能量
差时,就会产生吸收光谱。
M+hv = M* hv = E1 - E0 利用物质的特征吸收光谱进行分析的方法称为吸收
光谱法。
吸收光谱法包括：原子吸收、分子吸收、磁场的 诱导吸收和弛豫过程。
⑴ 原子吸收 气态原子对特征辐射光波的吸收，其光波能量正
场的作用后，它们的磁性质会产生附加的量子化能级 。这种诱导能态间的能量差很小，它们的跃迁仅通过 吸收低频区的辐射来实现的。研究的方法是核磁共振 波谱（NMR）和顺磁共振波普法（ESR）
⑷ 弛豫过程 通过吸收辐射而被激发的原子或分子处在高能态
的寿命很短，它们要通过不同的弛豫过程返回基态。 ① 非辐射弛豫：通过与其它分子的碰撞将激发能转 变为动能，结果使体系的温度有微小的升高。 ② 荧光和磷光弛豫：原子或分子吸收电磁辐射后激 发至激发态，当返回基态时，以辐射能的形式释放能 量。荧光产生比磷光（亚稳态）迅速。 ③ 共振荧光：发射辐射的频率与用来激发的辐射的 频率完全相同的过程。
是与酶反应，可用于分析葡萄糖、乳酸、氨基酸等。
通过测量物质的发射光谱的波长和强度来进行定
性和定量分析的方法称为发射光谱分析法。
第2章 光谱分析导论
三、电磁波谱
不同的波谱方法对应不同的量子跃迁： 由电磁辐射提供能量致使量子从低能级向高
能级的跃迁过程，称为吸收； 由高能级向低能级跃迁并发射电磁辐射的过 程，称为发射； 由低能级吸收电磁辐射向高能级跃迁，再由 高能级跃迁回低能级并发射相同频率电磁辐 射，同时存在弛豫现象的过程，为共振。
将电磁波按其波长次序排列成谱，称为电磁波谱
光谱类型 波长范围 波数范围 --1106-5104 量子跃迁类 型 核 内层电子
0.005-1.4A -射线发射光谱 X-吸收、发射、荧 0.1-100A 光、衍射光谱 真空紫外吸收光谱 10-180 nm
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 0.78-300 红外吸收 1.3104-33 分子振动-转 m 拉曼散射光谱 动 0.75-3.75 mm 13-27 微波吸收 分子转动 3 cm 0.33 电子自旋共振光谱 磁场中电子 自旋 0.6-10 m 1.710-2-1103 磁场中核自 核磁共振 旋
4.紫外-可见吸收光谱法 利用分子吸收紫外-可见光，产生分子外层电子能级跃迁所 形成的吸收光谱，进行物质的定量测定，测定基础是 Lambert-Beer定律。 测定对象为含有共轭双键的有机化合物 5.分子荧光、磷光光谱法 荧光：分子吸收电磁辐射后激发至激发单重态，通过非辐射 弛豫达到第一激发单重态的最低振动能级，跃迁返回到基态 的过程。 磷光：分子吸收电磁辐射后激发至激发单重态，通过非辐射 弛豫达到第一激发三重态的最低振动能级，跃迁返回到基态 的过程。 通常用于物质的高灵敏定量分析 应用范围较紫外-可见吸收光谱窄
6.化学发光分析法 通过化学反应提供激发能，使该化学反应的
【材料研究方法】光谱分析(英文)
Vibrational spectroscopy6.3.7 Absorbant intensity and IR spectroscopyt r a n s m i t t a n c e Fig. 6-18 IR spectrum. s （strong ）、m （medium ）、w（weak ）、vw （very weak ）a b s o r b a n c eVibrational spectroscopy3334 cm -1–OH stretch. Normal range: 3350±150 cm -1. This is a verycharacteristic group frequency. All of the peaks due to the OH group are broad due to hydrogen bonding.Vibrational spectroscopy 3390 cm-1–NH2antisymmetric stretch.Normal range: 3300±100 cm-1. Muchweaker adsorption than the OH stretchin hexanol.Vibrational spectroscopy 3290cm-1–NH2symmetric stretch. 2°amines have only one NH stretch, and3°amines have none.Vibrational spectroscopy Spectral interpretation always starts at the high end, because there are the best group frequencies and they are the easiest to interpret. No peaks appear above 3000 cm-1, the cut-off for unsaturated C-H. the four peaks below 3000 cm-1 are saturated C-H stretching modes.Vibrational spectroscopy 3050 ±50 cm-1 corresponds to the aromatic orunsaturated C(sp2)-H stretch. Always above3000 cm-1. These bands are not assigned tospecific vibrational modes.Vibrational spectroscopy 3080cm-1=CH3080 cm1 2 antisymmetric stretch. An absorption above 3000 cm-1 indicates the presence of an unsaturation (double or triple bond or an aromatic ring).Vibrational spectroscopy 2247 cm-1 C≡N stretch. Normal range:2250±10 cm-1 , lowered 10-20 cm-1when conjugated. Compare to the C ≡Cstretch in 1-heptyne (3000 cm-1).Vibrational spectroscopy 1742 cm-1, -C=O stretch. In small ring esters, this vibration is shifted to higher frequency by coupling to the stretch ofthe adjacent of O-C and C-C bonds. The amount of coupling depends on the O-C(O)-C angle. As with other carbonyl groups, conjugation lowers the frequency.Vibrational spectroscopy 1642 cm-1, C=C stretch. Normalrange:164020cm-1for cis andrange: 1640±20 cm for cis andvinyl, 1670±10 cm-1for trans, tri andtetra substituted. Trans-2-hexene(overlay menu) has only a very weakabsorption, because there is verylittle dipole change when an internaldouble bond stretches (it is nearlysymmetric).Vibrational spectroscopyThe broad peak at approximately 1460 cm-1is actually two overlapping peaks. At1640±10 cm-1, the antisymmetric bend ofthe CH3group absorbs. This is a degenerage bend (one shown).Vibrational spectroscopy At 1375 ±10cm-1, the CH3 symmetric bend (also called the“umbrella” bend) absorbs. This peak is very useful becauseit is isolated from the other peaks. Compare the spectrum ofcyclohexane. The most prominent difference between thetwo spectra is the absence of a CH3 symmetric bend in thecyclohexane spectrum./cm-11715 1800 1828 1928。
光谱分析法导论
粒子性
E
光电效应
E
h
hc
E：光子的能量（J, 焦耳） ：光子的频率（Hz, 赫兹） ：光子的波长（cm） c：光速（2.99791010 cm.s-1） h：Plank常数（6.625610-34 J.s 焦耳. 秒）
7
光的电磁波性质
10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm
41
2.光栅
光栅分为透射光栅和反射光栅，常用的是反 射光栅。反射光栅又可分为平面反射光栅（或称 闪耀光栅）和凹面反射光栅。
光栅由玻璃片或金属片制成，其上准确地刻 有大量宽度和距离都相等的平行线条（刻痕）， 可近似地将它看成一系列等宽度和等距离的透光 狭缝。
光栅是一种多狭缝部件，光栅光谱的产生是 多狭缝干涉和单狭缝衍射两者联合作用的结果。
37
（1）色散率（角色散率、线色散率和倒线
色散率） 棱镜的角色散率用 d/d 表示。表示入
射线与折射线的夹角，即偏向角 对波长
的变化率。角色散率越大，波长相差很小 的两条谱线分得越开。
38
在光谱仪中，谱线最终是被聚焦在光谱焦面 上，以便进行检测。此时，用角色散率难以表示
谱线之间的色散距离，而采用线色散率dl /d 来
有效长度b和棱镜材料的色散率dn /d成正比
式中mb为m个棱镜的底边总长度。
40
由上式可知，分辨率随波长而变化，在短 波部分分辨率较大。对紫外光区，常使用对紫 外光有较大色散率的石英棱镜；而对可见光区， 最好的是玻璃棱镜。由于介质材料的折射率n 与入射光的波长有关，因此棱镜给出的光谱 与波长有关，是非均排光谱。
E= Ee + Ev + Er + En + Et + Ei
第四章 光谱分析法导论
I篇 光谱学分析方法
22:51
1
第四章 光谱分析法导论
Basic of Spectrometry analysis
光学分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射 与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。
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，而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。
22:51
9
辐射的速度、频率和波长之间的关系
c =λ
注意： 辐射的频率只决定于辐射源，与介质无关 。 在真空中，辐射的传播速度与频率无关， 且有它们的最大值。
c 3×1010 cm·s-1
22:51
10
波数的定义
有时用波数来描述电磁辐射，波数的定 义是每厘米内该波的振动次数。
=104/λ(μm)=107/λ(nm)
22:51
40
2.光栅 光栅由玻璃片或金属片制成，其上准确地 刻有大量宽度和距离都相等的平行线条（刻 痕），可近似地将它看成一系列等宽度和等 距离的透光狭缝。
光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单狭缝衍 射两者联合作用的结果。
22:51
41
22:51
42
右图为平面反射 光栅的一段垂直于刻线 的截面。
它的色散作用可用光 栅公式表示
核磁共振波谱法 质谱法
22:51
4
非光谱法是基于辐射能与物质相互作用时， 不包含物质能级之间的跃迁，电磁辐射只改 变了传播方向或某些物理性质，如折射、偏 振等。
X射线衍射、透射电镜、扫描电镜等。
22:51
5
第一节 电磁辐射的波动性
电磁辐射在传播时表现出波的性质，如反射、 折射、衍射、干涉和散射等。
22:51
1
第四章 光谱分析法导论
Basic of Spectrometry analysis
光学分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射 与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。
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，而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。
22:51
9
辐射的速度、频率和波长之间的关系
c =λ
注意： 辐射的频率只决定于辐射源，与介质无关 。 在真空中，辐射的传播速度与频率无关， 且有它们的最大值。
c 3×1010 cm·s-1
22:51
10
波数的定义
有时用波数来描述电磁辐射，波数的定 义是每厘米内该波的振动次数。
=104/λ(μm)=107/λ(nm)
22:51
40
2.光栅 光栅由玻璃片或金属片制成，其上准确地 刻有大量宽度和距离都相等的平行线条（刻 痕），可近似地将它看成一系列等宽度和等 距离的透光狭缝。
光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单狭缝衍 射两者联合作用的结果。
22:51
41
22:51
42
右图为平面反射 光栅的一段垂直于刻线 的截面。
它的色散作用可用光 栅公式表示
核磁共振波谱法 质谱法
22:51
4
非光谱法是基于辐射能与物质相互作用时， 不包含物质能级之间的跃迁，电磁辐射只改 变了传播方向或某些物理性质，如折射、偏 振等。
X射线衍射、透射电镜、扫描电镜等。
22:51
5
第一节 电磁辐射的波动性
电磁辐射在传播时表现出波的性质，如反射、 折射、衍射、干涉和散射等。
光谱分析导论
（1) 平面光栅公式
d (sin sin ) n
n—(级数) 0,±1,±2,… φ--为入射角 d --为光栅常数（相邻刻线间的距离）--为衍射角 入射角规定为正值，若衍射角和入射角在光栅 平面法线的同侧，衍射角取正值，异侧取负值。
当一束平行的复合光以一定的入射角照射光栅
平面时，对于给定的光谱级次，衍射角随波长的增
b 光谱通带W
光谱通带：选定狭缝宽度时，通过狭缝的波长范围。
W (A) D (A/ mm) S (μm) 10-3
0 1 0
D-1:倒线色散率； W :光谱通带； S :狭缝宽度。
当单色仪的色散率固定时，光谱通带将随狭缝宽度
变化，而影响单色器的分辨能力。
c
狭缝宽度的选择原则
率，减少其它谱线的干扰，提高选择性；
4.衍射 光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象；
§2 电磁辐射的量子力学性质
一. 电磁辐射的微粒性
光电效应 康普敦效应 黑体辐射
光的粒子性主要表现为光的能量不是均匀连续分布在 它传播的空间，而是集中在光子的微粒上。
E --光子的能量 J Hz cm 2.99791010 cm.s-1
hc E h λ
定性分析：选择较窄的狭缝宽度—提高分辨 定量分析：选择较宽的狭缝宽度—增加狭缝
的亮度，提高分析的灵敏度；
根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并
通过条件优化确定最佳狭缝宽度。
与发射光谱分析相比，原子吸收光谱因谱线
数少，可采用较宽的狭缝。但当背景大时， 可适当减小缝宽。
三. 试样容器
光源与试样相互作用的场所 1 吸收池 紫外-可见分光光度法：(石英)比色皿 红外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片 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；
光谱分析法概论
顺磁共振波谱分析法——在外磁场的作用下，电子的自旋 磁矩与磁场相互作用而裂分为磁量子数不同的磁能级，测定 其对微波辐射的吸取来进展的构造分析 。
图 电磁波谱
其次节 电磁辐射与物质的相互作用
reciprocity of electromagnetic radiation and matter
电磁辐射与物质的相互作用是简单的物理现象。
(1) 吸取 物质选择性吸取特定频率的辐射能，并从基 态跃迁到激发态的过程。
(2) 放射 物质从激发态返回至基态，并以光的形式释 放出吸取能量的过程。
n=1
4
3
2
4
1
3
2
1
分子能级示意图
电子能级的跃迁不行避开的要产生振动能级和转动能级 的跃迁。假设电子能级的跃迁需要5eV，振动能级的跃迁需要 0.1eV，转动能级的跃迁需要0.005eV，那么，电子能级跃迁 产生的吸取光谱波长为248nm，而振动能级和转动能级跃迁 并不产生一条波长为248nm的线，而是产生一系列的线，其 波长间隔为5nm和0.25nm。
v1 / 1 = v2 / 2 = = c / =
二、电磁波谱
电磁辐射依据波长(或频率、波数、能量)大小的挨次排列 就得到电磁波谱。
电磁波谱的排列具有明显的规律性：
1.波长渐渐增大，频率和光子能量渐渐减小
2.各种电磁辐射不仅波长不同，产生的机理也不同：
高能辐射区
光学光谱区
波谱区
表 电磁波谱
其次章 光谱分析法概论
光学分析方法〔optical analysis〕
基于物质放射的电磁辐射(electro－mageneticradiation ) 或“辐射与物质相互作用”之后产生的辐射信号或发生的信号 变化等光学特性，进展物质的定性和定量分析的方法。
仪器分析第3章光谱分析法导论
电子光谱——紫外、可见区（Ee、Eυ、 Er 均改变）
振动光谱——近红外区、中红外区（Ev 及Er改变）
转动光谱——远红外、微波区（仅Er改 变）
25
分子光谱和原子光谱的共性
有各自的特征性，相应的特征谱线． 可以用来判断物质存在与否及研究物质
的内部结构．
26
27
3-5 发射光谱、吸收光谱和荧光光谱
c≌ 3×1010 cm·s-1,
8
波数的定义
有时用波数来描述电磁辐射，波数δ的 定义是每厘米内该波的振动次数．
在红外光谱中常用波数来表示红外吸收 峰的位置．
9
二、电磁辐射的微粒性
电磁辐射看作是不连续的能量微粒，称为 光子． 即光的粒子性表现为光的能量不 是均匀连续分布在它传播的空间，而是集 中在光的的微粒上．
18
分子吸收 分子甚至双原子分子的光谱， 要比原子光谱复杂得多．
磁场的诱导吸收 当将某些元素放入磁场
中时，其电子和核受到强磁场的作用后， 它们的磁性质会产生附加的量子化能 级．这种诱导能态间的能量差很小，它们 的跃迁仅能通过吸收低频区的辐射来实 现．
19
光谱的定义
孤立的原子、离子或分子的能级是特征 的，因此测量试样发射或吸收的辐射， 就能获得有关它们能级的信息．
16
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的 开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按
PCBA
键
开关 键
传统机械按键设计要点： 1.合理的选择按键的类型， 尽量选择平头类的按键，以 防按键下陷。 2.开关按键和塑胶按键设计 间隙建议留0.05~0.1mm，以 防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计 算累积公差，以防按键手感 不良。
振动光谱——近红外区、中红外区（Ev 及Er改变）
转动光谱——远红外、微波区（仅Er改 变）
25
分子光谱和原子光谱的共性
有各自的特征性，相应的特征谱线． 可以用来判断物质存在与否及研究物质
的内部结构．
26
27
3-5 发射光谱、吸收光谱和荧光光谱
c≌ 3×1010 cm·s-1,
8
波数的定义
有时用波数来描述电磁辐射，波数δ的 定义是每厘米内该波的振动次数．
在红外光谱中常用波数来表示红外吸收 峰的位置．
9
二、电磁辐射的微粒性
电磁辐射看作是不连续的能量微粒，称为 光子． 即光的粒子性表现为光的能量不 是均匀连续分布在它传播的空间，而是集 中在光的的微粒上．
18
分子吸收 分子甚至双原子分子的光谱， 要比原子光谱复杂得多．
磁场的诱导吸收 当将某些元素放入磁场
中时，其电子和核受到强磁场的作用后， 它们的磁性质会产生附加的量子化能 级．这种诱导能态间的能量差很小，它们 的跃迁仅能通过吸收低频区的辐射来实 现．
19
光谱的定义
孤立的原子、离子或分子的能级是特征 的，因此测量试样发射或吸收的辐射， 就能获得有关它们能级的信息．
16
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的 开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按
PCBA
键
开关 键
传统机械按键设计要点： 1.合理的选择按键的类型， 尽量选择平头类的按键，以 防按键下陷。 2.开关按键和塑胶按键设计 间隙建议留0.05~0.1mm，以 防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计 算累积公差，以防按键手感 不良。
光谱分析法概论1
原子发射光谱(AES) ： 气态的基态原子受到激发处于较高 的能级上（激发态），但激发态的原子很不稳定，一般约 在10-8 s内返回基态或较低能态而发射出特征谱线。
原子吸收光谱(ASS)：原子蒸气选择性地吸收一定频率的光 辐射跃迁到较高能态产生的吸收光谱。
原子荧光光谱(AFS)：气态原子吸收光辐射后，由基态跃迁 到激发态。激发态原子通过辐射跃迁回到基态或较低的能 态产生的二次光辐射叫做原子荧光。形成的光谱叫做原子 荧光光谱。
拉曼光谱：人射光子与溶液中试样分子间的非弹性碰 撞，发生能量交换，产生了与入射光频率不同的散射 光。这种散射光组成拉曼光谱。
紫外光谱法(UV)——利用溶液中分子吸收紫外/可见光产生 跃迁所记录的吸收光谱图，可进行化合物结构分析，根据最 大吸收波长强度变化可进行定量分析。
红外光谱法(IR)——利用分子中内部基团/原子间的相对振 动和分子转动.对红外辐射的选择性吸收，来鉴别和确定物质 分子结构的分析方法。
图2-1
Hale Waihona Puke 波参数频率：一秒内电磁场振荡的次数，单位Hz。
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。
c = = 3x1010 cm•s-1
波数: 是单位长度内波的数目，常用单位为cm-1，SI制 单位为m-1 。
分子荧光光谱法(MFS)——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的定量分析方法。
分子磷光光谱法(MPS)——处于第一激发单重态分子以 无辐射弛豫方式进入第一激发三重态，再跃迁返回基 态发出磷光。测定磷光强度进行定量分析的方法。
第2章 光谱分析法导论
（1）电磁辐射包括从波长极短的γ射线到无线电波的所有电 磁波谱范围，而不只局限于光学光谱区。 （2）电磁辐射与物质的相互作用方式很多，有发射、吸收、 反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等，各种相互作用的 方式均可建立起对应的分析方法，光学分析法的类型极多。
（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）
（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）
- 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、"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、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)。
13:52:22
辐射能的特性：
(1) 吸收 (2) 发射 (3) 散射 物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能 将吸收的能量以光的形式释放出； 丁铎尔散射和分子散射；
级跃迁到高能级；
(4) 折射
(5) 反射 (6) 干涉
折射是光在两种介质中的传播速度不同；
干涉现象；
(7) 衍射
(8) 偏振 光。
光分析法导论
an introduction to optical analysis
13:52:22
第一节 光分析基础
fundamental of optical analysis
13:52:22
一、光分析及其特点 optical analysis and its feature 二、电磁辐射的基本性质 properties of electromagnetic radiation 三、光分析法的分类 classification of optical analysis 四、各种光分析法简介 a brief introduction of optical analysis 五、光分析的进展 development of optical analysis
13:52:22
一、光分析法及其特点
optical analysis and its characteristics
光分析法：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：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பைடு நூலகம்干 涉、衍射等；
原子光谱（线性光谱）：最常见的三种
基于原子外层电子跃迁的原子吸收光谱（AAS）； 原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱（AFS）； 基于原子内层电子跃迁的 X射线荧光光谱（XFS）； 基于原子核与射线作用的穆斯堡谱；
13:52:22
分子光谱（带状光谱）：
基于分子中电子能级、振-转能级跃迁； 紫外光谱法（UV）； 红外光谱法（IR）； 分子荧光光谱法（MFS）； 分子磷光光谱法（MPS）； 核磁共振与顺磁共振波谱（N）；
非光谱法：
不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，仅改变传播方向 等物理性质；偏振法、干涉法、旋光法等；
13:52:22
光分析法
非光谱分析法 光谱分析法
圆 折 二 射 色 法 性 法
X 射 干 线 涉 衍 法 射 法
原子光谱分析法 旋 光 法
原 子 吸 收 光 谱 原 子 发 射 光 谱 原 子 荧 光 光 谱 X 射 线 荧 光 光 谱
13:52:22
8. 紫外吸收光谱分析法
利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸 收光谱图，可进行化合物结构分析，根据最大吸收波长强度 变化可进行定量分析。
9.红外吸收光谱分析法
利用分子中基团吸收红外光产生的振动-转动吸收光谱进
行定量和有机化合物结构分析的方法。
10.核磁共振波谱分析法
在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分
5. 分子磷光分析法
处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进入第 一三重激发态，再跃迁返回基态发出磷光。测定磷光强度进 行定量分析的方法。
6. X射线荧光分析法
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。
7. 化学发光分析法
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。
13:52:22
光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象；
只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振
13:52:22
13:52:22
三、光分析分类
type of optical analysis
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； 原子光谱、分子光谱、非光谱法
分子光谱法
发射光谱法
原 子 吸 收
13:52:22
紫 外 可 见
红 外 可 见
核 磁 共 振
原 子 发 射
原 子 荧 光
分 子 荧 光
分 子 磷 光
X 射 线 荧
光
化 学 发 光
四、各种光分析法简介
a brief introduction of optical analysis
1.原子发射光谱分析法
以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的外 层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。
2.原子吸收光谱分析法
利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液中离
子转变成气态原子后，测定气态原子对共振线吸收而进行的
定量分析方法。
13:52:22
3.原子荧光分析法
气态原子吸收特征波长的辐射后，外层电子从基态或低
13:52:22
二、电磁辐射的基本性质
basic properties of electromagnetic radiation
电磁辐射（电磁波）：以接近光速（真空中为光速）传
播的能量； c =λν =ν/σ
E = hν = h c /λ
c：光速；λ：波长；ν：频率；σ：波数 ； E ：能量； h：普朗克常数 电磁辐射具有波动性和微粒性；
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取代的地位；
13:52:22
三个基本过程：
（1）能源提供能量； （2）能量与被测物之间的相互作用； （3）产生信号。
基本特点：
（1）所有光分析法均包含三个基本过程； （2）选择性测量，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）； （3）涉及大量光学元器件。
能态跃迁到高能态，在10-8s后跃回基态或低能态时，发射出
与吸收波长相同或不同的荧光辐射，在与光源成90度的方向 上，测定荧光强度进行定量分析的方法。
4.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。
13:52:22
分子光谱分析法
分 子 荧 光 光 谱 法 分 子 磷 光 光 谱 法 核 磁 共 振 波 谱 法
紫 外 光 谱 法
红 外 光 谱 法
13:52:22
原 子 发 射
原 子 吸 收
原 子 荧 光
X 射 线 荧 光
紫 外 可 见
红 外 可 见
分 子 荧 光
分 子 磷 光
核 磁 共 振
化 学 发 光
原子光谱法 光谱分析法 吸收光谱法