物质成分的光谱分析

物质成分的光谱分析

孙梅

第章

第一章光谱分析基础知识

1.1 基本概念

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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类分析化学方辐射与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。

1．电磁辐射

电磁辐射是高速通过空间的光子流，通常简称为光，它具有二象性，即波动性和粒子性。波动性表现在光的折射、衍射和干涉等现象；粒子性表现在光电效应等现象。

）与其频率（ν）、波长每个光子的能量（E

L

（λ）及波数（σ）之间的关系为：

及波数间的关系为

E L=hν=hc/λ=hcσ

式中：h为普朗克常数（Planck constant），其

式中Planck constant）其值为6.626⨯10-34J⋅s; c为光速，其值为3⨯1010cm⋅s-1；σ为波数（wave number），其单位为cm1；λ为波长wave number）其单位为-1

（wave length），单位为cm。

由上式可知：电磁辐射的波长越短，其光子的

由上式可知电磁辐射的波长越短其光子的能量越高。

普朗克认为：物质对辐射能的吸收和发射是不连续的，是量子化的。

当物质内的分子或原子发生能级跃迁时，若以

辐射能的形式传递能量，则辐射能一定等于物质的辐射能的形式传递能量则辐射能定等于物质的

能级变化，即

∆E=E L=hν=hc/λ

例]：某电子在能量差为3.375⨯10-19 J的两能级间跃[337519

迁，其吸收或发射光的波长为多少纳米？

解：根据公式，λ= hc/∆E

6.626⨯10J s⨯3⨯10cm s/3.375⨯10J

=6626-34 ⋅10⋅-1/3375-19

=5.89⨯10-5 cm

=589 nm

589

2. 电磁波谱

将各种电磁辐射按照波长或频率的大小顺序排列起来即称为电磁波谱。

各波谱区所具有的能量不同，其产生的机理也各不相同。例如：红外光区的光是由分子的振动和转动能级跃迁产生的；近紫外区和可见光区的光是由于原子及分子的价电子或成键电子能级跃迁产生的。因此可根据所使用的不同波谱区，

因此可根据所使用的不同波谱区建立起不同的分析方法。

表1-1列出了电磁波谱区的波长范围和相应能量及跃迁能级类型。

能量及跃迁能级类型

表1-1 电磁波谱

波谱区名称波长范围a 光子能量b/J 跃迁能级类型

014nm4013

γ射线5⨯10-3~0.14 nm 4.0⨯10-13~1.3⨯10-15核能级

⨯射线0.01~10 nm 1.9⨯10-13~2.0⨯10-17 内层电子能级

10~200nm20-17~96-19

远紫外区10200 nm 2.0⨯109.6⨯10同上

近紫外区200~400 nm 9.6⨯10-19~5.0⨯10-19原子及分子价电子

或成键电子

可见区400~760 nm 5.0⨯10-19~2.7⨯10-19同上

近红外区0.75~2.5 μm 2.7⨯10-19~8.0⨯10-20分子振动能级中红外区 2.5~50 μm 8.0⨯10-20~3.2⨯10-21同上

远红外区50~1000 μm 3.2⨯10-21~6.8⨯10-23分子转动能级

0110068236426

微波区0.1~100 cm 6.8⨯10-23~6.4⨯10-26电子自旋及核自旋射频区1~1000 m 6.4⨯10-26~6.4⨯10-29同上

a. 1 m=102 cm=106 μm=109 nm;

b. 1 eV=1.6020⨯10-19 J。

3. 单色光、复合光和互补色光

（1）单色光：具有同一波长（或频率）的光称为单色光。

（2）复合光：由不同波长的光组合而成的光称为复合光。

单色光很难从光源获得，多数光源如：太阳、白炽灯和氢灯等发出的光都是复合光，通过适当的手段可以从复合光中获得单色光。

手段可以从复合光中获得单色光

人的眼睛对不同光的感受不一样。凡是能被肉眼感受到的光称为可见光，可见光的波长范围为400~780 nm。凡是超出此范围的光，人的眼睛感觉不到。

觉不到

可见光范围内不同波长的光会让人感觉不同 可见光范围内，不同波长的光会让人感觉不同

的颜色。

如：日光属于可见光，它是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色光按定比例混合而绿、青、蓝、紫等各种颜色光按一定比例混合而

成的白光。

当通过棱镜后，白光中各种波长的光被彼此当通过棱镜后白光中各种波长的光被彼此分离开来，从而得到了各种不同颜色的单色光。

（3）互补色光：如果把适当颜色的两种光按一定强度比例混合也可得到白光，这两种颜色的光称为互补色光。

如：绿色与紫色为互补色，黄色与蓝色为互补绿色与紫色为互补色黄色与蓝色为互补色，通过表1-2可以了解各种颜色对应的互补色。

表1-2不同颜色可见光的波长及其互补色

波长

/nm 400~

450450~480480~490490~500500~560560~580580~610610~650650~780颜色紫蓝

绿蓝蓝绿绿黄绿黄橙红互补色黄绿

黄橙红红紫紫蓝绿蓝蓝绿

4．物质颜色的产生

物质颜色的产生

当一束白光照射到固体物质时，物质对于不同波长光的吸收、透过、反射和折射程度不同，从而使物质产不同的颜

质产生不同的颜色。

如果对各种波长的光都完全反射即没有光的吸收，则呈白色；如果物质选择性吸收了某些波长的收则呈白色如果物质选择性吸收了某些波长的光，则呈现的颜色与其反射或透过的光的颜色有关。