光催化课件：准备知识一 光的特性与光源

准备知识一 光的特性与光源
一、 描述光的吸收和发射的物理参数 1. 辐射通量（单位 J/s, w）：单位时间发射的光能量φ = E/t 辐射通量（ ）：单位时间发射的光能量 ）：单位时间发射的光能量φ E：光源辐射能量；t：辐照时间 ：光源辐射能量； ： 2. 辐射强度（ Io ）：给定表面单位面积上的入射辐射通量 辐射强度（ ）：给定表面单位面积上的入射辐射通量 Io = φ /S; 单位 w/m2, mw/cm2 入射辐射通量 辐射通量； ：接收光辐射面积 φ：入射辐射通量；S：接收光辐射面积 3. 辐射的体积吸收率（ Iv ）：单位体积吸收的光能量 辐射的体积吸收率（ ）：单位体积吸收的光能量 Iv = φ/V 入射辐射通量 辐射通量； ： φ：入射辐射通量；V：被辐照介质的体积
入射光强度； ：吸光组分浓度； ：吸光介质的光程长度； 其中 Io ：入射光强度；C：吸光组分浓度；L：吸光介质的光程长度； a ：吸光物质的特性常数
对于气、 对于气、液、固三种聚集状态，有不同的表达式 固三种聚集状态，
= Ioe –εcL 固相： 固相： IT = Ioe –kNL
液相： 液相：IT 气相： 气相： IT
图3-6 双水冷却的外用型低压汞灯
短紫外区发射，光强度低，容量也不能制得很大，受限制。 短紫外区发射，光强度低，容量也不能制得很大，受限制。 注意事项： 注意事项： 所有汞灯不服从欧姆定律，需接镇流器； 所有汞灯不服从欧姆定律，需接镇流器； 壁温40~45℃时，254 nm 光最强，正常寿命 光最强，正常寿命200~3000小时； 小时； 壁温 ℃ 小时 电源连稳压器； 电源连稳压器； 新灯要点燃几小时，稳定“熟化” 新灯要点燃几小时，稳定“熟化”； 每次开启汞灯，也要等待15~20min； 每次开启汞灯，也要等待 ； 防止油污； 防止油污； 2） 中压汞灯 ） 在近紫外—可见光范围内辐射有多条清晰 分开的较狭窄的谱带。 可见光范围内辐射有多条清晰、 在近紫外 可见光范围内辐射有多条清晰、分开的较狭窄的谱带。若与 单色器配套，可获得强度较大的单色或狭窄谱带如254、265~266、313、 单色器配套，可获得强度较大的单色或狭窄谱带如 、 、 、 334、365~366、405~408、436、546、577~579nm。 、 、 、 、 、 。 结构简单、容量大、发光强度高、寿命长、易分出单色或窄谱带， 结构简单、容量大、发光强度高、寿命长、易分出单色或~3500小时。 小时。 壁温高至数，要及时清洗外壳，保持透明。寿命 小时
E=lg(Io/IT)=lg(1/T)= εcL
E：溶液消光值，也称吸光度（光密度），用D表示； ：溶液消光值，也称吸光度（光密度），用 表示 表示； ）， Io：入射光强度；IT：透光强度；T：透光率； 入射光强度； 透光强度； ：透光率； C：浓度 ），cm； ：浓度mol • dm -3；L：液层厚度（光程长度）， ； ：液层厚度（光程长度）， 摩尔消光系数， ε：摩尔消光系数， dm3•mol-1•cm-1
朗伯-比尔定律 比尔定律(Lambert-Beer) 三、 朗伯 比尔定律
一束平行的某一波长的光，穿过吸光组成浓度为 、光程长度为L的介质 的介质， 一束平行的某一波长的光，穿过吸光组成浓度为C、光程长度为 的介质， 被介质吸收的光或透过介质的光强度。 被介质吸收的光或透过介质的光强度。
透光强度： 透光强度：IT = Ioe -acL 吸光强度： 吸光强度：IA = Io(1-e -acL)
E = ε1c1L + ε2c2L + ··· ＋ εncnL
四、 光源
根据光化学第一定律，只有被分子吸收的光才能发生光化学反应。 根据光化学第一定律，只有被分子吸收的光才能发生光化学反应。不同的光 化学体系应选用不同的光源，使体系的吸收光谱与光源的发射光谱相匹配。 化学体系应选用不同的光源，使体系的吸收光谱与光源的发射光谱相匹配。
透镜聚光： 透镜聚光：
1 凸透镜 2 反应器 3 光源（太阳光） 光源（太阳光）
球面涂层反射镜聚光
2. 汞灯
使用广泛，发射波长 使用广泛，发射波长185~750nm。 发光原理 在含有汞蒸气的惰性气体中（ 、 、 ） 在含有汞蒸气的惰性气体中（ He、Ne、Ar），少量电子被 加速后，使惰性气体分子电离，生成的离子与电子复合， 加速后，使惰性气体分子电离，生成的离子与电子复合，产生 惰气原子的激发态，随后， 惰气原子的激发态，随后，惰气原子的激发态将激发能传递给 汞原子，生成汞原子激发态，激发态汞原子辐射退激到基态， 汞原子，生成汞原子激发态，激发态汞原子辐射退激到基态， 发射出光子。 发射出光子。
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5. 碳弧灯 发光效率高，并能耐高温，是可见光和红外辐射的理想光源。 发光效率高，并能耐高温，是可见光和红外辐射的理想光源。 输出功率可达几个kJ/s，一般采用透镜和反射镜聚光。 输出功率可达几个 ，一般采用透镜和反射镜聚光。 在波长较短的紫外区，封闭式碳弧的辐射强度比日光低， 在波长较短的紫外区，封闭式碳弧的辐射强度比日光低， 在 350~380nm的近紫外区域， 有两个比日光强的峰 。 阳光弧光灯 的近紫外区域， 的近紫外区域 有两个比日光强的峰。 的紫外辐射光强度与日光的强度近似。 的紫外辐射光强度与日光的强度近似。
2. 换算单位 E = 3.634×10－16 / λ (cal) = 1.986×10－15 /λ (J) = 1.24×104 /λ (eV) × × λ × λ
= 1.197×10 6 /λ （kJ· mol－1） = 2.865×10 5 /λ （kcal·mol－1） × λ × λ 光波长(nm) λ：光波长
紫外辐射 (<400nm)：受光密度近似 < ：受光密度近似117.7 w/m2 可见光(400~720nm)：受光密度近似 可见光 ：受光密度近似542.6 w/m2 (>720nm)：受光密度近似 红 外 > ：受光密度近似692.6 w/m2
1. 大气层外界处； 2. 大气质量 大气层外界处； 大气质量m=1.306的地表面处 的地表面处 3. 大气质量m=2.200的地表面处 大气质量 的地表面处
大气中O 大气中 2、N2、O3、H2O、气溶胶、尘埃对太阳辐射吸收、反射、 、气溶胶、尘埃对太阳辐射吸收、反射、 散射，使地球表面与大气层外的太阳光谱和受照密度有明显差别。 散射，使地球表面与大气层外的太阳光谱和受照密度有明显差别。地 面上太阳光谱小峰变小，变钝。 面上太阳光谱小峰变小，变钝。 但光谱能量的最大值均落在470~485 nm. 但光谱能量的最大值均落在 受光密度受地球纬度、季节、日照时间、海拔高度、气候变化的影响。 受光密度受地球纬度、季节、日照时间、海拔高度、气候变化的影响。 太阳光能在广泛的光谱范围内满足要求，但也存在缺点： 太阳光能在广泛的光谱范围内满足要求，但也存在缺点： 分散性：总量大，但能量流密度低。 分散性：总量大，但能量流密度低。北回归线附近夏季晴天中午的太 阳辐射也只有大约1.0~1.2 kJ·m-2·s-1 阳辐射也只有大约 间断性： 间断性： 不稳定性： 不稳定性： 因此可聚光提高受光密度。 因此可聚光提高受光密度。
二、 光的波长和能量
1. 光为电磁波， 波长）、 ）、ν 频率）、 ）、E（光子能量）、 光为电磁波，用λ （波长）、ν （频率）、 （光子能量）、 C （光速）表征 光速）
E = h ν = hC/ λ
EN = h νN = NhC/ λ（1摩尔光子的能量） 摩尔光子的能量） 摩尔光子的能量 N：阿佛加德罗常数；h ：普朗克常数 ：阿佛加德罗常数； 有时1摩尔光子称为 爱因斯坦 有时 摩尔光子称为1爱因斯坦 摩尔光子称为
3. 高压氙灯
属高强度照明光源，发射光谱比较稳定。 属高强度照明光源，发射光谱比较稳定。在紫外和可见光范围内的发射 光谱呈较平滑的连续光谱。只在400~500nm区间呈现小峰。
4. 荧光灯
利用低压气体放电灯内壁所涂荧光体的发光作用，主要发射可见光。 利用低压气体放电灯内壁所涂荧光体的发光作用，主要发射可见光。 光谱波长取决于所涂荧光体的化学组成。灯壁温度40~60℃ 。 光谱波长取决于所涂荧光体的化学组成。灯壁温度 ℃ 适用于产物的量子产率较高，不希望光化学反应温度高的光化学体系。 适用于产物的量子产率较高，不希望光化学反应温度高的光化学体系。
3） 高压汞灯 ）
由于温度压力高，光谱线的线宽加大，变为有明显波峰的连续光谱。 由于温度压力高，光谱线的线宽加大，变为有明显波峰的连续光谱。 发射光谱覆盖范围大、紫外辐射强度高，可作成容量大的灯， 发射光谱覆盖范围大、紫外辐射强度高，可作成容量大的灯，电功率转 化为光输出功率的效率高，寿命长。广泛使用。 化为光输出功率的效率高，寿命长。广泛使用。 的大容量高压汞灯。 目前可做 100kJ/s 的大容量高压汞灯。 当电输入功率小于10kJ/s 时，光的输出功率与输入电功率的比值随输 当电输入功率小于 入电功率增大而明显增大； 入电功率增大而明显增大； 当电输入功率大于10kJ/s 后，光的输出功率所占比例不变； 光的输出功率所占比例不变； 当电输入功率大于 当电输入功率大于10kJ/s 后，200~600 nm 光占 光占40%以上 当电输入功率大于 以上 300~600 nm 光的输出功率为 光的输出功率为20%以上 以上 366 nm 光的输出功率约占 光的输出功率约占5% 要求垂直放置灯管，倾斜时夹角小于 要求垂直放置灯管，倾斜时夹角小于45o
N：固相吸光组分在每立方厘米中的分子数 ：
： = Ioe –σpL P：气相中吸光组分的分压力 ε、 k 、σ 分别是液、固、气相吸光组分的吸收系数 分别是液、 、
ε= 9.37 ko σ= 3.72×10-20 ko × ko ：0℃时固相吸光组分的吸光系数 ℃ 在分光光度分析和光化学研究中，常用朗伯－ 在分光光度分析和光化学研究中，常用朗伯－比耳定律的 另一表达式： 另一表达式：
若多组分对某一波长都有吸收，则消光值有加和性： 若多组分对某一波长都有吸收，则消光值有加和性： E: 总消光值；εi：i 吸光组分的摩尔吸光系数； 总消光值； 吸光组分的摩尔吸光系数； ci：i 吸光组分的浓度；L：液层厚度 吸光组分的浓度； ： 注意： 注意： 上述定律只适用于理想溶液和理想气体等理想状态， 上述定律只适用于理想溶液和理想气体等理想状态，以及 入射光通量密度不很大的情况。溶液浓度高及压力过高， 入射光通量密度不很大的情况。溶液浓度高及压力过高， 会引起溶剂化或分子间缔合作用，使定律不成线性； 会引起溶剂化或分子间缔合作用，使定律不成线性； 入射光通量密度太高，会产生高浓度的激发态分子， 入射光通量密度太高，会产生高浓度的激发态分子，也可 能引起偏差。 能引起偏差。