仪器分析课件 光学分析法导论

I
1
4
解释为什么晴朗的天空是蓝色 的，早晚太阳是红色的？
折射法
2．非光谱法：与能级跃迁无关
比浊法 旋光法
二. 根据与电磁辐射作用的物质的存在形式可分为： 1．原子光谱：气态的单个原子或离子 2．分子光谱：分子
§2-3 光学光谱法所用仪器
光学光谱仪基本上均由五部分组成，即：
光源（辐射源）、单色器、样品池、检测器和
作用： 将光源 B 所发射的光线聚焦于狭缝 S，使 S 得到均匀照明
透镜组 K 在这里起到三个作用： a. 最大限度地从光源 B 采光，以聚集高的光能量； b. 使光源 B 的光线聚集于狭缝，S 相当于一个点光源发光； c. 使 S 得到均匀照明，即在 S 的全范围内光强度一致。
照明透镜 L 到入射狭缝 S
入射于狭缝的光源亮度B为一个单位时，在焦面上所得到的照度E。
一般：
光学元件数↑，L↓； 物镜焦距↑，L↓； 物镜直径↑，L↑。
（三）棱镜光谱仪 1．棱镜光谱仪的光学系统
f
光源
入射狭缝 准直镜 棱镜 物镜 出射狭缝
焦面
四个部分：照明、准直、色散、投影
2．棱镜的色散作用
棱镜的分光原理：光的折射定律
sin i n sin
i:入射角； ν折射角； n:棱镜材料的折射率
n是波长λ的函数，科希(Cauchy)公式：
由科希公式可以看出不同波长的 光在棱镜中的折射率是不同， λ↑，n↓；λ↓，n↑
A,B,C为与棱镜材料有关的常数
θ
偏向角
λ↑,θ↓
3．棱镜光谱仪的光学特性
（1）色散率 a. 角色散率
在最小偏向角时（折射线平行于棱镜底边），可以导出： dn A : 棱镜材料色散率 2 m sin d d dn 2 m：棱镜数目 d d 2 2 A A：棱镜顶角 1 n sin 2 n：棱镜折射率
早 在 17 世 纪 末 的 1680年，牛顿主张光是
象经典力学中的质点那
样的粒子流，光之所以 有不同颜色是因为粒子 流中微粒种类不同；
1690年，惠更斯则
提出了另一种看法：
认为光是由光源在其 周围介质里引起弹性 振动而形成的波，光 之所以有不同颜色是
因为波的波长不同；
光波动说的创始人惠更斯
麦克斯韦证明光是
R
Δλ= /R = 300/50000 = 0.006nm
即Δλ≧0.006 nm 才能分辨
分辨率是光谱仪的一个综合指标，一方面与光谱仪的线色 散率有一定关系，另一方面又与线色散率存在本质区别。 如：
线色散率相同，但分辨率不同
3．集光本领 L
定 义：光谱仪的光学系统传递辐射的能力。
定义式： L = E / B
？
光学分析法
光学分析法
热能 M* M + 能量 电能 光能（hν） （激发态） （基态）
M + h
选择吸收
百度文库选择发射
光学分析法（光谱分析法）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。 根据物质吸收或者发射电磁辐射的不同就可以对 物质进行定性、定量分析。可见光学分析法主要是 讨论物质与电磁辐射相互作用的分析方法。
KI
KⅡ
2．准直系统（平行光管）
L1 L2
KⅢ KI KⅡ
作用：把狭缝 S 入射的光线转变为平行光束，使其到达分
光元件的第一入射面时入射角完全相同。
平行光束入射分光元件是一切光谱仪分光的基础
3．色散系统
L1 L2
分光元件
作用：分光
KI
KⅡ
KⅢ
4．投影系统
作用： 将各个波长的单色光分别聚焦于 O2 焦面 F 的不同 位置，实现谱线分离
（二）光谱仪的光学特性参数
1．色散率
光谱仪把不同波长的光分散开的能力（定性描述） （1）角色散率 表示： dθ/dλ（棱镜），dβ/dλ（光栅） 物理意义：两条波长差为dλ的光线被分光元件色散 后分开的角度。 （2）线色散率 Dl = d l /dλ 物理意义：波长差dλ的两条谱线在焦面上被分开的距离
按波长或频率的大小顺序排列起来的电磁辐射
短
10-2 nm 10 nm
波长
102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm
长
103 cm 105 cm
γ射线
X射线 紫外光
红外光
微
波
无线电波
可
见
光
微波炉工作原理
短
10-2 nm 10 nm
波长
102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm
物质与电磁辐射相互作用
产生相互作用的两方面，即物质和电磁辐射所包含的范畴； 物 质： 物质的大部分存在形式：如原子、分子、 原子核及核内中子等；
电磁辐射： 广义电磁辐射的绝大部分波谱范围。 物质和电磁辐射相互作用的方式（广）。
§2-1 电磁辐射的基本性质
电磁辐射是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形式。
λ越长，ε越小，ν、σ越低
可用波数表示能量的高低，单位 cm-1。
习题
例：计算波长530nm的绿色光的光子能量、频率及波数。
解： 1.光子能量 E = hc/λ = (6.626×10-34 J· s×2.998×1010 cm·-1)/530×10-7 cm s = 3.75×10-19 J 1 J=6.241×1018 eV, 则 E= 3.75×10-19 J×6.241×1018 eV· -1=2.34 eV J 2. 频率 ν= c/ λ = 2.998×1010 cm·-1/ 530×10-7 cm s
The Nobel Prize in Physics 1930 “for his work on the scattering of light and for the discovery of the effect named after him”
b．瑞利（Rayleigh）散射：
弹性碰撞, 方向改变, 不变, 无能量交换
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；
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。
1
v1

2
v2

c


所有电磁辐射在真空中传播的速度均相同： c = 2.997 924 58×108 m•s-1
2-1-2. 电磁辐射的粒子性
根据量子理论，电磁辐射是在空间高速运动的光量子 或光子流。可以用每个光子所具有的能量（E）表征。 单位：eV或J（1eV = 1.602×10-19J，1J = 6.241×1018eV） 电磁辐射的粒子性就是将辐射看作是不连续的能量微 粒，即光子或光量子。物质以一份份能量的形式发射或吸 收光，这些能量是一个特殊的能量单位的倍数。这个能量 单位称为光子或光量子。虽然对于不同的电磁辐射来说光 子的能量大小不同，但是如果光子的能量除以电磁辐射的 频率却总是一个常数，称为普朗克常数：
信号显示系统（读出器件）
发射光谱仪不需要外加辐射源 吸收光谱仪仪器部件在一条直线上，荧光、 散射则辐射源与检测器成90°角。
2-3-1. 光 源
对光源的要求：
强度大（分析灵敏度高）、稳定（分析重现性好）。
紫外光 可见光 红外光 金属蒸汽灯
H2灯 D2灯 W灯 氙灯 Nernst灯 硅碳棒 Hg灯 Na灯 空心阴极灯 高强度空心阴极灯 红宝石激光器
长
103 cm 105 cm
γ射线
X射线 紫外光
红外光
微
波
无线电波
可
见
光
1. 电磁波谱的排列表现出明显的规律性。
从上到下，波长 ，光量子的频率和能量 ，
波长量的渐变
电磁辐射质的区别；
量变
质变
2. 各种电磁辐射波长不同，产生的机理也不同：
a. 高能辐射区：λ＜10nm，ε＞102 eV
能谱分析法 b. 光学光谱区： 10nm ＜ λ ＜ 1mm， 102 eV ＞ ε ＞ 10-4 eV 光谱分析法 c. 波 谱 区： λ＞1mm， ε＜ 10-4 eV
2-1-1. 电磁辐射的波动性
E
H
图2.1 单光色平面偏振光的传播
波动性—用周期、频率、波长、波数等波参数描述
周期T-辐射完成一次振荡的时间；s 频率ν-每秒内辐射振荡的次数；s-1或Hz 波长λ-相邻两个波峰或波谷间的距离；cm,μm,nm,Å,pm 波数σ-每厘米内波的数目； cm-1，σ =1/λ 传播速度v - 波在一秒钟内通过的距离； v =λν
Dl dl f d d sin d dn 2 2 A d sin 1 n sin 2
dn : 棱镜材料色散率 d m：棱镜数目
第二章 光学分析法导论
Chapter Two
Guide of Optics Analytical Method
目 录
2-1 电磁辐射的基本性质
2-2 光学分析法的分类
2-3 光学光谱法所用仪器 2-4 光学分析法的应用
要研究光学分析法首先要了解光？
光是一种与物质的内部运动有关的电磁辐射。 也可以说，光就是一种电磁波。
160-375nm 340-2500nm 250-700nm 6000-5000cm-1之间有最大 强度 254-734nm 589.0nm，589.6nm 也称元素灯 693.4nm 632.8nm 515.4nm，488.0nm
连续 光源
空心阴极灯
线光源
激光
He-Ne激光器 Ar离子激光器 直流电弧
1 2 3 h 6.62610-34 J S 1 2 3
每个光子的能量与相应频率或波长之间的关系为
h h
c

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。
f： 物镜焦距 ξ ：焦面与主光轴夹角
可见角色散率与折射率 n 棱镜数目m及棱镜顶角 有关。 因此，增加角色散率 d/d 的方式有三： 改变棱镜材料，玻璃比石英的折射率大，但玻璃只适于可见光区； 增加棱镜顶角，多选 600； 增加棱镜数目，但由于设计及结构上的困难，最多用2个。
dl b. 线色散率 Dl d
3. 波数
σ= 1/λ=1 / 530×10-7 cm = 1.89×104 cm-1
波长为0.9nm的单色X射线的频率和波数
λ=0.9nm, 则γ= c/λ=3.0×108/0.9×10-9 = 3.3×1017 s-1
σ= 1/λ=1/0.9×10-7= 1.1×107 cm-1
2-1-3．电磁波谱
2．分辨率 R
光谱仪的光学系统能够正确分辨紧邻两条谱线的能力。
仪器的理论分辨率：
R
两谱线的平均波长； 恰能分辨两条谱线的波长差 R
R值越大，分辨能力越强，一般光谱仪的分辨率在 5000 ~ 60000之间。
R
练习
例：光谱仪在300.0nm附近的R是50000，波长差为多少的谱 线能分辨？
测量物质的特征吸收光谱进行分析。
M*
hν
E h h c

M
2-2-3. 散射光谱法
a．拉曼（Raman）散射：
非弹性碰撞,方向及波长均改变, 能量交换
频率为ν0的单色光照射透明物质，
物质分子会发生散射现象。如果这种 散射是光子与物质分子发生能量交换 引起，即不仅光子的运动方向发生变 化，它的能量也发生变化，则称为 Raman散射。这种散射光的频率（νm） 与入射光的频率不同，称为Raman位 移. Raman位移的大小与分子的振动 和转动的能级有关，利用Raman位移 研究物质结构的方法称为Raman光谱 法。
发射光谱光源
交流电弧 高压火花 ICP
电能
2-3-2. 单色器（分光系统）
作用：
将复合光分解为按波长次序排列的单色光
（一）分光系统的基本结构和作用
照明透镜组 准直镜 L
1
暗箱物镜
L2
KⅢ
KI
KⅡ
入射狭缝
准 直 系 统
分光元件
色 散 系 统
物镜焦面
投 影 系 统
照 明 系 统
1．照明系统
KⅢ
L1 L2
波谱分析法
§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：
发射光谱法
1．光谱法：与能级跃迁有关
吸收光谱法 散射光谱法
2．非光谱法：与能级跃迁无关
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
2-2-2. 吸收光谱法