材料分析技术-光谱分析法
合集下载
相关主题
- 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)。
20
红外吸收光谱法
• 历史概述 • 理论基础 • 仪器构成 • 样品制备 • 图谱解析与应用 • 新发展
21
红外光谱的范围
近紫外
可见
红外
200nm 400nm
780nm
1000um
近红外区 中红外区
远红外区
0.78um 2.5um
50um
1000um
22
波数/cm-1
/ cm1
1
104
/ cm / m
10
价电子跃迁与原子光谱
• 原子价电子能级发生变化而产生。 • 激发-跃迁对应于吸收光谱与发射光谱。 • 价电子跃迁能量变化在1-20eV之间。 • 所以波长大多分布在紫外-可见光区域。
11
内层电子跃迁与X射线光谱
• 内层电子跃迁能量较高，对应波长X射线区 域。
• 除了辐射X射线还有部分能量以Auger电子 的形式放出。
2 频率（v）
单位时间内通过传播方向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，单 位为赫兹（Hz，即s-1）。
4
3 波数（σ）
每厘米长度内所含的波长的数目，它是波长的倒数，即
σ ＝1 / λ
波数单位常用cm-1来表示。
4 传播速度 辐射传播速度υ等于频率v乘以波长λ，即υ＝v λ。在
分子光谱法
原子发射光谱法 原子吸收光谱法 原子荧光光谱法
紫外-可见吸收光谱法 红外吸收光谱法 分子荧光与磷光光谱法 化学发光光谱法 拉曼光谱法
其它光谱法
核磁共振与顺磁共振波谱法 X射线荧光光谱法
19
光谱分析法仪器的基本流程
光谱仪器通常 包括五个基本单元
光源； 单色器； 样品； 检测器； 显示与数据处理
真空中辐射传播速度与频率无关，并达到最大数值， 用c表示，c值准确测定为2.99792×1010cm/s
5
电磁波谱
6
原子能态-原子结构与电子量子数
• 核外电子的运动状态由n(主量子数)、l(角量子数)、m(磁 量子数)、s(自旋量子数)和ms(自旋磁量子数)表征。5个量 子数也相应表征了电子的能量状态(能级结构)。
• 一个般eV晶）体。的能带宽度（Eg）约为几个eV（最多不过几十
16
能带的形成（示意图） 17
能带结构的基本类型及相关概念
• 禁带 • 能隙 • 价带 • 导带 • 满带 • 空带 • 绝对零度时固体中电子占据的最高能级称为费米能级，
其能量称费米能（EF）。
18
光（波）谱 分析法
原子光谱法 （电离，价电 子跃迁）
12
分子能态
原子光谱为线状光谱， 分子光谱为带状光谱；为什么？
原子光谱图
分子光谱图
13
分子中的能量
E=Ee+ Ev + Er + En + Et + Ei
分子中原子的核能： En
分子的平移能：Et
电子运动能： Ee
原子间相对振动能： Ev 0.05-1eV
分子转动能： Er
0.05eV 以下
基团间的内旋能： Ei
2
光谱分析法概述
• 电磁波谱
• 原子能态
– 价电子 – 内层电子
• 分子能态 • 固体能带
• 光谱法分类 • 光谱分析仪器与光学元件
3
电磁波的性质
1 波长（λ）
相邻两个波峰或波谷之间的直线距离，单位为米（m ）、厘米（cm）、微米（μm）、纳米（nm）。这 些单位之间的换算关系为1m＝102cm＝106μm＝ 109nm。
光谱分析法
• 光谱分析法概述 • 红外吸收光谱法 • 拉曼散射光谱法
光谱分析法
光谱分析法是基于物质对不同波长光的吸收、 发射等现象而建立起来的一类光学分析法。
光谱是光的不同波长成分及其强度分布按波长 或波数次序排列的记录，它描述了物质吸收或发 射光的特征，可以给出物质的组成、含量以及有 关分子、原子的结构信息。
• 原子中的一个或几个电子由基态所处能级跃迁到高能级上 ，这时的原子状态称激发态，是高能态；而原子由基态转 变为激发态的过程称为激发。
• 显然，激发需要能量，此能量称为激发能，常以电子伏特 （eV）表示，称为激发电位。
• 激发能的大小应等于电子被激发后所处（高）能级与激发 前所处能级（能量）之差。
• 高能级电子向低能级空轨道的移动称为跃迁。 • 跃迁选择定则。 • 激发-跃迁对应于吸收与发射。
15
固体中能带的形成
• 原子中核外电子在原子轨道上运动并处于不同的分立能 级上。当N个原子相接近形成晶体时将发生原子轨道的交 叠并产生能级分裂现象。
• 量子理论证明，N个原子中原先能量值相同的能级（如各 原子的2s能级）将分裂成N个能量各不相同的能级；但分 裂的各能级能量差值不大。
• 由于固体中原子数N很大（1mm3晶体，N=1019~1021）， 因而N个分裂的能级差值极小，以致于可以视为连续分布 ，即形成有一定宽度的能带。
在一般化学反应中， En不变； Et 、 Ei较小； E=Ee+ Ev + Er
分子产生跃迁所吸收能量的辐射频率：
ν=ΔEe / h + ΔEv h + ΔEr / h
14
跃迁类型与分子光谱
分子光谱复杂，电子跃迁时带有振动和转动能级跃迁；
• 分子的紫外-可见吸收光谱是由纯电子跃迁引起的，故又 称电子光谱，谱带比较宽； • 分子的红外吸收光谱是由于分子中基团的振动和转动能级 跃迁引起的，故也称振转光谱； • 分子的荧光光谱是在紫外或可见光照射下，电子跃迁至单 重激发态，再跃回基态或基态中的其他振动能级所发出的光； • 分子的磷光是指处于第一最低单重激发态的分子以无辐射 弛豫方式回到第一最低三重激发态，再跃迁回到基态所发出的 光；
n、l、m对核外电子状态的表征意义
7
原子的电子能级示意图
8
原子能态与原子量子数
• 多电子原子中，存在着电子与电子相互作用等复 杂情况，量子理论将这些复杂作用分解为：
– 轨道-轨道相互作用：各电子轨道角动量之间的作用 – 自旋-自旋相互作用：各电子自旋角动量之间的作用 – 自旋-轨道相互作用：指电子自旋角动量与其轨道角动
量的作用，单电子原子中也存在此作用 – 并将轨道-轨道及自旋-自旋作用合称为剩余相互作用
，进而通过对各角动量进行加和组合的过程（称为偶 合）获得表征原子整体运动状态与能态的原子量子数 。
9
原子基态、激发及能级跃迁
• 通常，原子核外电子遵从能量最低原理、包利（Pauli）不 相容原理和洪特（Hund）规则，分布于各个能级上，此时 原子处于能量最低状态，称之为基态。
红外吸收光谱法
• 历史概述 • 理论基础 • 仪器构成 • 样品制备 • 图谱解析与应用 • 新发展
21
红外光谱的范围
近紫外
可见
红外
200nm 400nm
780nm
1000um
近红外区 中红外区
远红外区
0.78um 2.5um
50um
1000um
22
波数/cm-1
/ cm1
1
104
/ cm / m
10
价电子跃迁与原子光谱
• 原子价电子能级发生变化而产生。 • 激发-跃迁对应于吸收光谱与发射光谱。 • 价电子跃迁能量变化在1-20eV之间。 • 所以波长大多分布在紫外-可见光区域。
11
内层电子跃迁与X射线光谱
• 内层电子跃迁能量较高，对应波长X射线区 域。
• 除了辐射X射线还有部分能量以Auger电子 的形式放出。
2 频率（v）
单位时间内通过传播方向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，单 位为赫兹（Hz，即s-1）。
4
3 波数（σ）
每厘米长度内所含的波长的数目，它是波长的倒数，即
σ ＝1 / λ
波数单位常用cm-1来表示。
4 传播速度 辐射传播速度υ等于频率v乘以波长λ，即υ＝v λ。在
分子光谱法
原子发射光谱法 原子吸收光谱法 原子荧光光谱法
紫外-可见吸收光谱法 红外吸收光谱法 分子荧光与磷光光谱法 化学发光光谱法 拉曼光谱法
其它光谱法
核磁共振与顺磁共振波谱法 X射线荧光光谱法
19
光谱分析法仪器的基本流程
光谱仪器通常 包括五个基本单元
光源； 单色器； 样品； 检测器； 显示与数据处理
真空中辐射传播速度与频率无关，并达到最大数值， 用c表示，c值准确测定为2.99792×1010cm/s
5
电磁波谱
6
原子能态-原子结构与电子量子数
• 核外电子的运动状态由n(主量子数)、l(角量子数)、m(磁 量子数)、s(自旋量子数)和ms(自旋磁量子数)表征。5个量 子数也相应表征了电子的能量状态(能级结构)。
• 一个般eV晶）体。的能带宽度（Eg）约为几个eV（最多不过几十
16
能带的形成（示意图） 17
能带结构的基本类型及相关概念
• 禁带 • 能隙 • 价带 • 导带 • 满带 • 空带 • 绝对零度时固体中电子占据的最高能级称为费米能级，
其能量称费米能（EF）。
18
光（波）谱 分析法
原子光谱法 （电离，价电 子跃迁）
12
分子能态
原子光谱为线状光谱， 分子光谱为带状光谱；为什么？
原子光谱图
分子光谱图
13
分子中的能量
E=Ee+ Ev + Er + En + Et + Ei
分子中原子的核能： En
分子的平移能：Et
电子运动能： Ee
原子间相对振动能： Ev 0.05-1eV
分子转动能： Er
0.05eV 以下
基团间的内旋能： Ei
2
光谱分析法概述
• 电磁波谱
• 原子能态
– 价电子 – 内层电子
• 分子能态 • 固体能带
• 光谱法分类 • 光谱分析仪器与光学元件
3
电磁波的性质
1 波长（λ）
相邻两个波峰或波谷之间的直线距离，单位为米（m ）、厘米（cm）、微米（μm）、纳米（nm）。这 些单位之间的换算关系为1m＝102cm＝106μm＝ 109nm。
光谱分析法
• 光谱分析法概述 • 红外吸收光谱法 • 拉曼散射光谱法
光谱分析法
光谱分析法是基于物质对不同波长光的吸收、 发射等现象而建立起来的一类光学分析法。
光谱是光的不同波长成分及其强度分布按波长 或波数次序排列的记录，它描述了物质吸收或发 射光的特征，可以给出物质的组成、含量以及有 关分子、原子的结构信息。
• 原子中的一个或几个电子由基态所处能级跃迁到高能级上 ，这时的原子状态称激发态，是高能态；而原子由基态转 变为激发态的过程称为激发。
• 显然，激发需要能量，此能量称为激发能，常以电子伏特 （eV）表示，称为激发电位。
• 激发能的大小应等于电子被激发后所处（高）能级与激发 前所处能级（能量）之差。
• 高能级电子向低能级空轨道的移动称为跃迁。 • 跃迁选择定则。 • 激发-跃迁对应于吸收与发射。
15
固体中能带的形成
• 原子中核外电子在原子轨道上运动并处于不同的分立能 级上。当N个原子相接近形成晶体时将发生原子轨道的交 叠并产生能级分裂现象。
• 量子理论证明，N个原子中原先能量值相同的能级（如各 原子的2s能级）将分裂成N个能量各不相同的能级；但分 裂的各能级能量差值不大。
• 由于固体中原子数N很大（1mm3晶体，N=1019~1021）， 因而N个分裂的能级差值极小，以致于可以视为连续分布 ，即形成有一定宽度的能带。
在一般化学反应中， En不变； Et 、 Ei较小； E=Ee+ Ev + Er
分子产生跃迁所吸收能量的辐射频率：
ν=ΔEe / h + ΔEv h + ΔEr / h
14
跃迁类型与分子光谱
分子光谱复杂，电子跃迁时带有振动和转动能级跃迁；
• 分子的紫外-可见吸收光谱是由纯电子跃迁引起的，故又 称电子光谱，谱带比较宽； • 分子的红外吸收光谱是由于分子中基团的振动和转动能级 跃迁引起的，故也称振转光谱； • 分子的荧光光谱是在紫外或可见光照射下，电子跃迁至单 重激发态，再跃回基态或基态中的其他振动能级所发出的光； • 分子的磷光是指处于第一最低单重激发态的分子以无辐射 弛豫方式回到第一最低三重激发态，再跃迁回到基态所发出的 光；
n、l、m对核外电子状态的表征意义
7
原子的电子能级示意图
8
原子能态与原子量子数
• 多电子原子中，存在着电子与电子相互作用等复 杂情况，量子理论将这些复杂作用分解为：
– 轨道-轨道相互作用：各电子轨道角动量之间的作用 – 自旋-自旋相互作用：各电子自旋角动量之间的作用 – 自旋-轨道相互作用：指电子自旋角动量与其轨道角动
量的作用，单电子原子中也存在此作用 – 并将轨道-轨道及自旋-自旋作用合称为剩余相互作用
，进而通过对各角动量进行加和组合的过程（称为偶 合）获得表征原子整体运动状态与能态的原子量子数 。
9
原子基态、激发及能级跃迁
• 通常，原子核外电子遵从能量最低原理、包利（Pauli）不 相容原理和洪特（Hund）规则，分布于各个能级上，此时 原子处于能量最低状态，称之为基态。