02光学分析法导论
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02光学分析法导论
0.1 cm 10cm
103 cm
105 cm
x射 线
紫外 光
红外 光
微 波
无线 电波
可
见
光
光学分析法导论
二、光学分析法分类
光谱法：
光学分析法中的重点
光学分析法
非光谱法
光学分析法导论
• 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
光学分析法导论
f
入 射 狭缝 准 直 镜
棱镜
棱 镜
物 镜
焦 面
出 射 狭缝
棱镜的分光作用是利用不同波长的光在同一 介质中具有不同折射率而进行的。
光学分析法导论
光学特性
表征：色散率、分辨率、集光本领。
分辨率R：指将两条靠得很近的谱线分开的能力 色散率：指对不同波长的光被棱镜分开的能力。它又分 为角色散率和线色散率 角色散率dθ /dλ ：两条波长相差dλ 的光被棱镜色散 后所分开的角度为dθ ，则棱镜的角色散率为： dθ /dλ 。它主要与棱镜的材料和几何形状有关。 线色散率dl/dλ ：它表示两条谱线在焦面上被分开的距 离l对波长λ 的变化率
光学分析法导论
所用仪器
基本组成：光源（辐射源）、单色器、试样
池、检测器和信号显示系统等。 现在大多附有计算机通过专用软件控制。
光学分析法导论
光源
作用：发射或提供被物质吸收散射的光
发射光谱仪试样本身就是一个发射体光源
原子吸收光谱法：空心阴极灯（阴极用待分
析的元素的金属构成） 紫外可见：？？、红外：？？
的波长和强度进行分析的方法。
•
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
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
第二章 光学分析法导论(2)
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，在相应波长位置， 入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。 有效带宽：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。即单色器的分
辨能力（有效带宽S）应由下式决定：
W DS
D=线色散率；W=狭缝宽度。当单色仪的色散率固定时，波长间隔将
与PDA相比，CTD最大的优势在于其二维特性，可作为影像检测 器，在电视及航空等领域有广泛应用。
2012-12-27
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2. 热检测器 包括：热电偶，热释电检测器及热辐射计。 这类检测器主要用于红外及Raman光谱分析 中，拟在以后相关章节作介绍。
2012-12-27
31
不同：波长小的则衍射角小，谱线靠近0级；波 长大的，衍射角大，谱线距0级较远； 同样对于二级光谱而言，也有同样的情况。但可 能造成二级光谱与一级光谱的重叠，而且具有最
大强度的光处于0级（为未分开的白光）！
2012-12-27 12镜观察屏
f
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13
光栅的光学特性
K 角色散率d/d： d d d cos 线色散率D1: dl d Kf Kf f ( < 20o ） d d d cos d
第二章 光学分析法导论（2） (Optical methods of Analysis)
2012-12-27
1
2.3 光谱法仪器
以紫外-可见光为例，光吸收遵循Lambert-Beer定律
吸光度
I0 A lg bc I
摩尔吸光系数
物质的量浓度 吸收光程
构建仪器
1）测量入射光强度I0，和出射光强度I； 2）单色器； 3）对数转换器。
第二章光学分析法导论(全)
第2章 光学分析法导论
2-1 光分析及其特点
2-2 电磁辐射的基本性质
2-3 光学分析法的分类 2-4 光学光谱分析法所用仪器
1
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：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
1.对于给定的α 、d、k, λ 不同则β 不同—光栅分光作 用。 改变α ，可改变λ 波段范围。 2. k=0 时，d（sinα -sinβ ）=0，任何λ 都满足光栅 方程式——不分光的“0”级像。 3.当K1 λ 1= K2 λ 2= K3 λ 3=…时，谱线重叠 解决方法：加滤光片，谱级分离器。 4.对于给定的α 、d、λ , k不同则β 不同,即同一波长的 光，光强度被分散。
23
24
2-4-1 光源
连续光源
氢灯或氘灯（ 160～375nm） 钨灯（340～2500nm） 硅碳棒
紫外光源 可见光源 红外光源
线光源
空心阴极灯 金属蒸汽灯 激光
25
2-4-2 单色器
单色器的作用： 作用：将试样发出的复合光分解成按波长顺序排列的
单色光。
分光元件：棱镜或光栅
26
圆 比 折 二 浊 射 色 法 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
分子光谱分析法
分 子 荧 光 光 谱 法 分 子 磷 光 光 谱 法
2-1 光分析及其特点
2-2 电磁辐射的基本性质
2-3 光学分析法的分类 2-4 光学光谱分析法所用仪器
1
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：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
1.对于给定的α 、d、k, λ 不同则β 不同—光栅分光作 用。 改变α ，可改变λ 波段范围。 2. k=0 时，d（sinα -sinβ ）=0，任何λ 都满足光栅 方程式——不分光的“0”级像。 3.当K1 λ 1= K2 λ 2= K3 λ 3=…时，谱线重叠 解决方法：加滤光片，谱级分离器。 4.对于给定的α 、d、λ , k不同则β 不同,即同一波长的 光，光强度被分散。
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2-4-1 光源
连续光源
氢灯或氘灯（ 160～375nm） 钨灯（340～2500nm） 硅碳棒
紫外光源 可见光源 红外光源
线光源
空心阴极灯 金属蒸汽灯 激光
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2-4-2 单色器
单色器的作用： 作用：将试样发出的复合光分解成按波长顺序排列的
单色光。
分光元件：棱镜或光栅
26
圆 比 折 二 浊 射 色 法 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
分子光谱分析法
分 子 荧 光 光 谱 法 分 子 磷 光 光 谱 法
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。
光学分析法导论2
2013-10-13
• 不同介质的折射率不同，同一介质对不 同波长的光具有不同的折射率 • 波长越长，折射率越小，据此棱镜可以 进行分光 • 由物质的折射率求出该物质的浓度或纯 度的方法称为折射法
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• 反射
• 当光通过具有不同折射率的两种介质的 界面时会产生反射 • 反射的分数随两种介质的折射率之差增 加而增大
光学分析法导论
2013-10-13
概 述
• 光学分析法是基于能量作用于物质后产生电磁 辐射信号或电磁辐射与物质相互作用后产生辐 射信号的变化而建立起来的一类分析方法 • 历史上，此相互作用只是局限于电磁辐射与物 质的作用，这也是目前应用最为普遍的方法 • 现在，光谱方法已扩展到其它各种形式的能量 与物质的相互作用，如声波、粒子束（离子和 电子）等与物质的作用 • 仪器分析的重要分支
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能量单位换算表
J 1J（焦耳） 1Cal（卡） 1erg（尔格） 1eV（电子伏） 1 4.184 10
-7
Cal 0.2390 1 2.390× 10
-19 -8
Erg 10
7
eV 6.241× 10
7 18
4.184× 10 1 1.602× 10
2.612× 10 6.241× 10
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折射和反射
• 折射
• 当光从介质（1）射到另一介质（2）的界面时， 一部分光在界面上改变方向返回介质（1）， 称为光的反射。反射在法线NN’的另一侧离开 界面，而入射角i与反射角i’相等 • 另一部分光则改变方向以r的角度（折射角） 进入介质（2），这种现象称为光的折射
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2013-10-13
光学分析法导论(2)
原子荧光光谱：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。
二、分子光谱
分子能级：分子中不但存在成键电子跃迁所确定的电子 能级，而且还存在着由原子在其平衡位置相对振动所确 定的振动能级，以及由分子绕轴旋转所确定的转动能级。
波谱区
射线区 X射线区 远紫外区 近紫外区 可见光区 近红外区 中红外区 远红外区 微波区 射频区
表 2-1 电磁波谱
区
波长范围
光子能量/eV
0.005 nm 0.005~10 nm 10~200 nm 200~400 nm 400~780 nm 0.78~2.5 m 2.5~50 m 50~1000 m 0.1~100 cm 1~100 m
2.5105 2.5105 ~1.2 102 1.2 102 ~6.2 6.2~3.1 3.1~1.7 1.7~0.5 0.5~0.025 2.5 10-2 ~1.2 10-4 1.2 10-4 ~1.2 10-7 1.2 10-6 ~1.2 10-9
能级跃迁类型
原子核能级 内层电子能级
原子的电子能级或 分子的成键电子能级 分子振动能级
5895.93 Å
S=1/2 J=3/2 S=1/2 J=1/2
32S1/2---- 32P3/2 32S1/2---- 32P1/2
光谱选择定则
➢ 不是原子中任何两个能级之间都能够发生跃迁。只 有符合光谱选择定则的跃迁才是允许的；
➢ 同时符合三个条件的跃迁，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。
能级图
ΔE=E2E1 =h
ν
= hc/λ
例如：钠原子，核外电子组成为： （1S）2（2S）2（2P）6（3S）1
二、分子光谱
分子能级：分子中不但存在成键电子跃迁所确定的电子 能级，而且还存在着由原子在其平衡位置相对振动所确 定的振动能级，以及由分子绕轴旋转所确定的转动能级。
波谱区
射线区 X射线区 远紫外区 近紫外区 可见光区 近红外区 中红外区 远红外区 微波区 射频区
表 2-1 电磁波谱
区
波长范围
光子能量/eV
0.005 nm 0.005~10 nm 10~200 nm 200~400 nm 400~780 nm 0.78~2.5 m 2.5~50 m 50~1000 m 0.1~100 cm 1~100 m
2.5105 2.5105 ~1.2 102 1.2 102 ~6.2 6.2~3.1 3.1~1.7 1.7~0.5 0.5~0.025 2.5 10-2 ~1.2 10-4 1.2 10-4 ~1.2 10-7 1.2 10-6 ~1.2 10-9
能级跃迁类型
原子核能级 内层电子能级
原子的电子能级或 分子的成键电子能级 分子振动能级
5895.93 Å
S=1/2 J=3/2 S=1/2 J=1/2
32S1/2---- 32P3/2 32S1/2---- 32P1/2
光谱选择定则
➢ 不是原子中任何两个能级之间都能够发生跃迁。只 有符合光谱选择定则的跃迁才是允许的；
➢ 同时符合三个条件的跃迁，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。
能级图
ΔE=E2E1 =h
ν
= hc/λ
例如：钠原子，核外电子组成为： （1S）2（2S）2（2P）6（3S）1
仪器分析-第2章 光学分析法导论
·用远红外光照射有机分子，分子在转动能级间跃迁 产生转动光谱。其波长位于远红外和微波区，亦称远红 外吸收光谱和微波。
·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
·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
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
仪器分析第02章光学分析法导论
c= =2.997921010 cm.s-1 波数(): 是1cm内波的数目: =1/ 周期：两个相邻矢量极大(或极小)通过空间某固 定点所需的时间间隔叫做辐射的周期
(二) 微粒性
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。 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=hc/λ 证明：1916，Millikan(真空光电管)
及荧光光谱
子
红外吸收 拉曼散射光谱
0.78-300 m
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
0.6-10 m 1.710-2-1103 磁场中核自 旋
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)
(南开大学2019年)
3.下面五个电磁辐射区域：A.X射线 B.红外区 C.无线 电波 D.可见光区 E.紫外光区
(1)能量最大者_______ (2)波长最短者______ (3)波数最小者_______ (4)频率最小者______ (首都师范大学2019年) 1.下列电磁辐射区的能量递增顺序为( ) A红外﹥射频﹥X射线﹥微波 B射频﹥微波﹥红外﹥X射线 C微波﹥红外﹥X射线﹥射频 D X射线﹥红外﹥微波﹥射频 (南开大学2019年)
原子光谱是原子的外层电子(或称价电子)在两个 能级之间跃迁而产生。原子的能级通常用光谱项符号 表示：n2s+1LJ
(二) 微粒性
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。 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=hc/λ 证明：1916，Millikan(真空光电管)
及荧光光谱
子
红外吸收 拉曼散射光谱
0.78-300 m
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
0.6-10 m 1.710-2-1103 磁场中核自 旋
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)
(南开大学2019年)
3.下面五个电磁辐射区域：A.X射线 B.红外区 C.无线 电波 D.可见光区 E.紫外光区
(1)能量最大者_______ (2)波长最短者______ (3)波数最小者_______ (4)频率最小者______ (首都师范大学2019年) 1.下列电磁辐射区的能量递增顺序为( ) A红外﹥射频﹥X射线﹥微波 B射频﹥微波﹥红外﹥X射线 C微波﹥红外﹥X射线﹥射频 D X射线﹥红外﹥微波﹥射频 (南开大学2019年)
原子光谱是原子的外层电子(或称价电子)在两个 能级之间跃迁而产生。原子的能级通常用光谱项符号 表示：n2s+1LJ
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物镜焦距越大，线分散率越大：实际工作中 常用倒线色散率即单位长度的焦面内含有的 光谱的纳米数，数值越小，色散率越高 光谱级次的影响 光栅常数越小（每毫米刻线数越多）色散率 越高
光学分析法导论
光栅的分辨率
分辨率 R = λ = KN ∆λ 如何获得较高的分辨率 光谱级数有限 常用方案：大块的光栅，增加总刻痕数
光学分析法导论
３）散射光谱法 散射光谱法：利用物质对光 散射光谱法 的散射来进行分析的方法。
光学分析法导论
２．非光谱法 是基于物质与辐射 非光谱法 相互作用时，测量辐射的某些性 质，如折射、干涉、衍射、偏振 等变化的分析方法。 主要有折射法 旋光法 折射法和旋光法 折射法 旋光法。
光学分析法导论
光学分析法导论
波长（ ） 波长（λ）：表示相邻两个光波各相 应点间的直线距离（或相应两个波峰 或波谷间的直线距离）。 • 波数（ ） 波数（ω）：指在单位长度内波的 数目。 • 频率（ ） 频率（γ）：指在1秒时间内经过某 点的波数（即每秒内振动的次数）。 •
光学分析法导论
•2.电磁辐射的粒子性 电磁辐射的粒子性：能量为量子化， 电磁辐射的粒子性 最小单位“光子” •能量 能量(E)：光子所具有的能量。 能量
光学分析法导论
检测系统
主要有： 感光板 光电倍增管 图象检测器
光学分析法导论
光电倍增管：
光电转换元件，电流放大元件
光电直读法： 光电直读法：利用光电倍增管将光强度转换 成电信号来检测谱线强度的方法。 成电信号来检测谱线强度的方法。 打拿极上的化合物涂层具有 每被一个电子 撞击后即能发射四或五个电子的特性。 撞击后即能发射四或五个电子的特性。 优点：灵敏度高、线性动态范围宽， 优点：灵敏度高、线性动态范围宽，可以检 测很微弱的信号，响应时间在10 测很微弱的信号，响应时间在 －9s范围 范围 但没有空间分辨能力
紫外 光
红外 光
微 波
无线 电波
可 见 光
光学分析法导论
二、光学分析法分类
光谱法： ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ谱法：
光学分析法中的重点
光学分析法
非光谱法
光学分析法导论
• 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 量子化的能级之间 量子化 的跃迁 跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射 跃迁 的波长和强度 波长和强度进行分析的方法。 波长和强度 • 它又可分为吸收光谱法、发光光谱 法、拉曼散射光谱法三种。
分子光谱和原子光谱：
原子光谱主要是由于核外电子 核外电子能级发 核外电子 生变化而产生的辐射或吸收而产生的光谱。 分子光谱则是由于分子中电子能级及 分子的振动、分子的转动能级的变化而产 生的光谱。
光学分析法导论
所用仪器
基本组成：光源（辐射源）、单色器、试样 池、检测器和信号显示系统等。 现在大多附有计算机通过专用软件控制。
•光的能量与光的波长及频率间的关系为：
•
Ｅ=hγ=hc/λ
•式中Ｅ为光的能量（尔格）；γ为频率；λ为波长；
h为普朗克常数，其值为6.6256×10-27尔格·秒；c 为光速。
光学分析法导论
电磁波的种类： 电磁波的种类：电磁波谱
波长
λ
名称 波长
5×10-3 ～0.1
0.1～10
10～200
200～400
光学分析法导论
图象检测器：多通道型
分为：光电二极管阵列PDA、电荷耦合器件 CCD和电荷注入器件CID 小的光敏感元件阵列排布 PDA的缺点：波长覆盖范围窄，灵敏度较低， 噪声和暗电流较大 CTD优点：多通道，量子效率高，灵敏度高， 读出噪声低，线性范围宽，暗电流较低。
光学分析法导论
光学分析法导论
dθ/dλ。它主要与棱镜的材料和几何形状有关。
线色散率dl/dλ：它表示两条谱线在焦面上被分开的距 离l对波长λ的变化率
光学分析法导论
光栅分光系统
分为透射光栅和反射光栅，近代仪器反射光 栅最为常用。 光栅是在玻璃或金属片中刻有很多等距离、 等宽的平行刻线（300-2000刻槽/mm） 构成。 光栅的光学特性：色散率、分辨率和闪耀特 性
光学分析法导论
•
１）吸收光谱法 吸收光谱法：它是利用物质 吸收光谱法 吸收光后所产生的吸收光谱来进行 分析的方法。
光学分析法导论
２）发光光谱法 发光光谱法：物质中的粒子 发光光谱法 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 发射光谱 特征的发射光谱 特征 发射光谱，利用此发 射光谱进行的分析的方法
仪器类型
摄谱仪和光电直读仪两类 摄谱仪：棱镜和光栅两类 光电直读仪：多通道直读、单通道扫描光谱 仪和全谱直读光谱仪。
光学分析法导论
光学特性
表征：色散率、分辨率、集光本领。 分辨率R：指将两条靠得很近的谱线分开的能力 色散率：指对不同波长的光被棱镜分开的能力。它又分 为角色散率 线色散率 角色散率和线色散率 角色散率 角色散率dθ/dλ：两条波长相差dλ的光被棱镜色散 后所分开的角度为dθ ，则棱镜的角色散率为：
dβ K = dλ d cos β
线色散率D1等于角色散率与物镜焦距的乘积
dl dβ K⋅ f D= = ⋅f = 1 dλ dλ d cos β
含义：距离对波长的变化率，等于波长差为一单位 的两条谱线在焦面上分开的距离。
光学分析法导论
dl dβ K⋅ f D= = ⋅f = 1 dλ dλ d cos β
光学分析法导论
棱镜分光系统
原理： 平行光经色散后按波长顺序分解为不同波长 的光 经聚焦后在焦平面不同位置成像， 得到按波长顺序排列的光谱。
光学分析法导论
f
入 射 狭缝 准 直 镜 棱 镜
棱镜
物 镜
焦 面
出 射 狭缝
棱镜的分光作用是利用不同波长的光在同一 介质中具有不同折射率 不同折射率而进行的。 不同折射率
光学分析法导论
光源
作用：发射或提供被物质吸收散射的光 发射光谱仪试样本身就是一个发射体光源 原子吸收光谱法：空心阴极灯（阴极用待分 析的元素的金属构成） 紫外可见：？？、红外：？？
光学分析法导论
单色器
作用： 将复合光分解为按波长顺序排列的单色光。 构成： 狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。 关键：分光元件： 棱镜和光栅
光学分析法导论
光栅分光系统
分光原理：多光束干涉原 多光束干涉原 理，光程差与波长的关系， 存在相干干涉从而产生谱 线；而相消干涉产生暗条 纹 光谱级次：具有色散作用 的一级谱线最强，高级次 谱线常用滤波片除去。
光学分析法导论
光栅的色散率
光栅方程 d(sinα+sinβ)=Kλ 假定入射角保持不变，有角色散率
γ射线
x射线 750 ～ 1.0×106
远紫外光
近紫外光 1.0×109 1.0×1012 ～
λ
名称
400～750
1.0×106 1.0×109
～
可见光
红外光
微波
无线电波
光学分析法导论
λ γ射 线
10-2 nm 10 nm
102 nm 104 nm
0.1 cm 10cm
103 cm
105 cm
x射 射 线
第二章 光学分析法导论
光学分析法导论
光学分析法
原理：
基于分析物质发射的电磁辐射 电磁辐射或电磁辐射与物 电磁辐射 质作用而实现分析工作
光学分析法导论
一．电磁波的基本性质
1.波动性： 1.波动性：交变电场和磁场 波动性 表征电磁波的波动性的参数： 可以用波长λ、频率γ、速度c、 波数ω等来表示其特性。
光学分析法导论
光栅的分辨率
分辨率 R = λ = KN ∆λ 如何获得较高的分辨率 光谱级数有限 常用方案：大块的光栅，增加总刻痕数
光学分析法导论
３）散射光谱法 散射光谱法：利用物质对光 散射光谱法 的散射来进行分析的方法。
光学分析法导论
２．非光谱法 是基于物质与辐射 非光谱法 相互作用时，测量辐射的某些性 质，如折射、干涉、衍射、偏振 等变化的分析方法。 主要有折射法 旋光法 折射法和旋光法 折射法 旋光法。
光学分析法导论
光学分析法导论
波长（ ） 波长（λ）：表示相邻两个光波各相 应点间的直线距离（或相应两个波峰 或波谷间的直线距离）。 • 波数（ ） 波数（ω）：指在单位长度内波的 数目。 • 频率（ ） 频率（γ）：指在1秒时间内经过某 点的波数（即每秒内振动的次数）。 •
光学分析法导论
•2.电磁辐射的粒子性 电磁辐射的粒子性：能量为量子化， 电磁辐射的粒子性 最小单位“光子” •能量 能量(E)：光子所具有的能量。 能量
光学分析法导论
检测系统
主要有： 感光板 光电倍增管 图象检测器
光学分析法导论
光电倍增管：
光电转换元件，电流放大元件
光电直读法： 光电直读法：利用光电倍增管将光强度转换 成电信号来检测谱线强度的方法。 成电信号来检测谱线强度的方法。 打拿极上的化合物涂层具有 每被一个电子 撞击后即能发射四或五个电子的特性。 撞击后即能发射四或五个电子的特性。 优点：灵敏度高、线性动态范围宽， 优点：灵敏度高、线性动态范围宽，可以检 测很微弱的信号，响应时间在10 测很微弱的信号，响应时间在 －9s范围 范围 但没有空间分辨能力
紫外 光
红外 光
微 波
无线 电波
可 见 光
光学分析法导论
二、光学分析法分类
光谱法： ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ谱法：
光学分析法中的重点
光学分析法
非光谱法
光学分析法导论
• 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 量子化的能级之间 量子化 的跃迁 跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射 跃迁 的波长和强度 波长和强度进行分析的方法。 波长和强度 • 它又可分为吸收光谱法、发光光谱 法、拉曼散射光谱法三种。
分子光谱和原子光谱：
原子光谱主要是由于核外电子 核外电子能级发 核外电子 生变化而产生的辐射或吸收而产生的光谱。 分子光谱则是由于分子中电子能级及 分子的振动、分子的转动能级的变化而产 生的光谱。
光学分析法导论
所用仪器
基本组成：光源（辐射源）、单色器、试样 池、检测器和信号显示系统等。 现在大多附有计算机通过专用软件控制。
•光的能量与光的波长及频率间的关系为：
•
Ｅ=hγ=hc/λ
•式中Ｅ为光的能量（尔格）；γ为频率；λ为波长；
h为普朗克常数，其值为6.6256×10-27尔格·秒；c 为光速。
光学分析法导论
电磁波的种类： 电磁波的种类：电磁波谱
波长
λ
名称 波长
5×10-3 ～0.1
0.1～10
10～200
200～400
光学分析法导论
图象检测器：多通道型
分为：光电二极管阵列PDA、电荷耦合器件 CCD和电荷注入器件CID 小的光敏感元件阵列排布 PDA的缺点：波长覆盖范围窄，灵敏度较低， 噪声和暗电流较大 CTD优点：多通道，量子效率高，灵敏度高， 读出噪声低，线性范围宽，暗电流较低。
光学分析法导论
光学分析法导论
dθ/dλ。它主要与棱镜的材料和几何形状有关。
线色散率dl/dλ：它表示两条谱线在焦面上被分开的距 离l对波长λ的变化率
光学分析法导论
光栅分光系统
分为透射光栅和反射光栅，近代仪器反射光 栅最为常用。 光栅是在玻璃或金属片中刻有很多等距离、 等宽的平行刻线（300-2000刻槽/mm） 构成。 光栅的光学特性：色散率、分辨率和闪耀特 性
光学分析法导论
•
１）吸收光谱法 吸收光谱法：它是利用物质 吸收光谱法 吸收光后所产生的吸收光谱来进行 分析的方法。
光学分析法导论
２）发光光谱法 发光光谱法：物质中的粒子 发光光谱法 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 发射光谱 特征的发射光谱 特征 发射光谱，利用此发 射光谱进行的分析的方法
仪器类型
摄谱仪和光电直读仪两类 摄谱仪：棱镜和光栅两类 光电直读仪：多通道直读、单通道扫描光谱 仪和全谱直读光谱仪。
光学分析法导论
光学特性
表征：色散率、分辨率、集光本领。 分辨率R：指将两条靠得很近的谱线分开的能力 色散率：指对不同波长的光被棱镜分开的能力。它又分 为角色散率 线色散率 角色散率和线色散率 角色散率 角色散率dθ/dλ：两条波长相差dλ的光被棱镜色散 后所分开的角度为dθ ，则棱镜的角色散率为：
dβ K = dλ d cos β
线色散率D1等于角色散率与物镜焦距的乘积
dl dβ K⋅ f D= = ⋅f = 1 dλ dλ d cos β
含义：距离对波长的变化率，等于波长差为一单位 的两条谱线在焦面上分开的距离。
光学分析法导论
dl dβ K⋅ f D= = ⋅f = 1 dλ dλ d cos β
光学分析法导论
棱镜分光系统
原理： 平行光经色散后按波长顺序分解为不同波长 的光 经聚焦后在焦平面不同位置成像， 得到按波长顺序排列的光谱。
光学分析法导论
f
入 射 狭缝 准 直 镜 棱 镜
棱镜
物 镜
焦 面
出 射 狭缝
棱镜的分光作用是利用不同波长的光在同一 介质中具有不同折射率 不同折射率而进行的。 不同折射率
光学分析法导论
光源
作用：发射或提供被物质吸收散射的光 发射光谱仪试样本身就是一个发射体光源 原子吸收光谱法：空心阴极灯（阴极用待分 析的元素的金属构成） 紫外可见：？？、红外：？？
光学分析法导论
单色器
作用： 将复合光分解为按波长顺序排列的单色光。 构成： 狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。 关键：分光元件： 棱镜和光栅
光学分析法导论
光栅分光系统
分光原理：多光束干涉原 多光束干涉原 理，光程差与波长的关系， 存在相干干涉从而产生谱 线；而相消干涉产生暗条 纹 光谱级次：具有色散作用 的一级谱线最强，高级次 谱线常用滤波片除去。
光学分析法导论
光栅的色散率
光栅方程 d(sinα+sinβ)=Kλ 假定入射角保持不变，有角色散率
γ射线
x射线 750 ～ 1.0×106
远紫外光
近紫外光 1.0×109 1.0×1012 ～
λ
名称
400～750
1.0×106 1.0×109
～
可见光
红外光
微波
无线电波
光学分析法导论
λ γ射 线
10-2 nm 10 nm
102 nm 104 nm
0.1 cm 10cm
103 cm
105 cm
x射 射 线
第二章 光学分析法导论
光学分析法导论
光学分析法
原理：
基于分析物质发射的电磁辐射 电磁辐射或电磁辐射与物 电磁辐射 质作用而实现分析工作
光学分析法导论
一．电磁波的基本性质
1.波动性： 1.波动性：交变电场和磁场 波动性 表征电磁波的波动性的参数： 可以用波长λ、频率γ、速度c、 波数ω等来表示其特性。