第2章 光谱分析法导论解析

第 2章光谱分析法导论

2.1 内容提要

2.1.1 基本概念

光分析法—以物质的光学性质为基础建立的分析方法,称为光学分析法,简称光分析法。

光谱分析法—以测量光与物质相互作用,引起原子、分子内部量子化能级之间跃迁产生的发射、吸收、散射等波长与强度的变化关系为基础的光分析法,称为光谱分析法。

非光谱分析法—利用光与物质作用时所产生的折射、干涉、衍射和偏振等基本性质的变化来达到分析测定目的的光分析法, 主要有折射法、干涉法、衍射法、旋光法和圆二色性法等。

光发射—受激粒子由高能态跃迁回到低能态(包括基态时,以光辐射形式释放多于能量的现象。

光吸收—当光与物质接触时,某些频率的光被选择性的吸收并使其强度减弱,这种现象被称为物质对光的吸收。

光散射—光通过不均匀介质时, 如果有一部分光沿着其他方向传播, 这种现象称为光的散射。

光折射—当光从一种透明介质进入另一种透明介质时,光束的前进方向发生改变的现象,称为光的折射。

光衍射—光波绕过障碍物而弯曲向后传播的现象,称为光的衍射。光偏振—天然光通过某些物质后, 变为只在一个固定方向有振动的光,称为平面偏振光,这种现象称为偏振。

光的旋光色散—平面偏振光进入旋光活性物质时,使得构成偏振光的左、右两圆偏振光的传播速度变得不一样,这种现象称为旋光色散。光的圆二色性—偏振光与物质相互作用后,由于对左、右圆偏振光的吸收情况不同导致两圆偏振光的振幅和能量也不相同,并形成一个沿着椭圆运动的椭圆偏振光,这种现象称为圆二色性。

光的波粒二象性—指光既有波动性又有粒子性。

吸收光谱—物质的粒子吸收某特定的光子后,由低能级跃迁到较高能级,当把物质对光的吸收情况按照波长的次序排列记录下来,就得到

吸收光谱。

发射光谱—吸收了能量(光能、热能、电能或其他能量的粒子, 由高能级跃迁到底能级时,如果以光辐射形式释放出多余的能量,当把光的辐射按波长次序排列记录下来,就得到发射光谱。

分子光谱 (带状光谱—处于气态或溶液中的分子 ,当发生能级跃迁时,所发射或吸收的是一定频率范围的电磁辐射组成的带状光谱,称为分子光谱。

原子光谱 (线状光谱—气态原子发生能级跃迁时,能发射或吸收一定频率(波长的电磁辐射,经过光谱仪所得到的一条条分立的线状光谱,称为原子光谱。

固体光谱—炽热的固体物质及复杂分子受激后, 发射出波长范围相当广阔的连续光谱,称为固体光谱。

连续光谱—有连续分布的波长的光组成的光谱,称为连续光谱。转动光谱—反映分子纯转动能级跃迁引起的转动能量的变化的这部分光谱称为转动光谱。

振动光谱—反映分子纯振动能级跃迁引起的振动能量的变化的这部分光谱称为振动光谱。

电子光谱—反映分子纯电子能级跃迁引起的电子能量的变化的这部分光谱称为电子光谱。

复合光—包含多种频率(或波长成分的光,称为复合光。

单色光—含有一种频率(或波长成分的光,称为单色光。

色散—物质对光的折射率随着光的频率的变化而变化,这种现象称为色散。

分光—利用色散现象可以将波长范围很宽的复合光分散开来,成为许多波长范围狭小的“单色光” ,这种作用称为“分光” 。

2.1.2 基本内容

1. 光的基本性质及电磁波谱的分类

光是一种电磁辐射 (或电磁波 ,具有波粒二象性。电磁辐射按照波长的长短排列起来,称为电磁波谱,根据其波长 (及能量的不同,可以分为几个不同的辐射类型或波谱区。

2. 光的能量、频率、波长和波数之间的关系

光的波动性可用光的波长λ(或波数σ 和频率ν来描述; 光的粒子性可用光量子(简称光子的能量 E 来描述。它们之间的关系遵循下式: E =hv =hc /λ=hcσ

式中 , c 为光速 (在真空中 c =3×108m ·s -1 ; h 为普朗克常数 (6.63×10-34J ·s 。式左端体现了光的粒子性,右端体现了光的波动性,它把光的波粒二象性联系和统一起来 , 并由此看出 :不同波长的光 (辐射具有不同的能量,波长越长 (频率、波数越低 ,能量越低;反之,波长越短, 能量越高。

3. 光与物质间的相互作用

光与物质相互接触时,就会与物质相互作用,作用的性质随光的波长 (能量即物质的性质而异。通常包括:

(1光的吸收、发射;

(2光的透射、散射和折射;

(3光的干涉、衍射和偏振。

4. 光分析法的分类

光分析法以能源与物质相互作用引起原子、分子内部量子化能级之间跃迁所产生的光吸收、发射、散射等波长与强度的变化关系为基础的光分析法。

非光谱法是利用光与物质作用时所产生的折射、干涉、衍射和偏振等基本性质的变化来达到分析测定目的的分析方法。主要有折射法、干涉法、衍射法、旋光法和圆二色性法等。

5. 光谱的产生

通常,物质的分子处于稳定的基态。当它受到光照或其他能量激发时,将根据分子所吸收能量的大小,引起分子转动、振动或电子能级的跃迁,同时伴随着光子的吸收或发射,当物质的粒子吸收或放出某特定的光子后,发生能级之间的跃迁,如果把物质对光的吸收或发射情况按照波长的次序排列记录下来,就得到了光谱。

按照产生光谱的物质类型的不同,可以分为原子光谱、分子光谱、固体光谱;按照产生光谱的方式不同,可以分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱;按照光的性质和形状,又可分为线光谱、带光谱和连续光谱。 6. 光谱分析仪器的组成

信号发生系统,色散系统,检测系统,信息处理系统。

信号发生系统:包括光源和样品容器。光源有连续光源和线光源等。一般连续光源主要用于分子吸收光谱法,线光源用于原子荧光、原子吸收和拉曼光谱法。

色散系统:其作用是将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带。一般色散系统由棱镜或光栅等组成。

检测系统:一般以光电转换器作为检测器。检测器可分为对光子有响应的光检测器和对热有响应的热检测器。

信息处理系统:由检测器将光信号转换为电信号后,可用检流计、微安表、记录仪、数字显示器或阴极射线显示器等显示和记录测定结果。

2.2 思考题与习题解答

1. 原子光谱与分子光谱,吸收光谱与发射光谱有什么不同?

答:原子光谱是一条条彼此分离的线光谱。产生原子光谱的是处于稀薄气体状态的原子 (相互之间作用力小 ,由于原子没有振动和转动能级,因此原子光谱的产生主要是电子能级跃迁所致。

分子光谱是一定频率范围的电磁辐射组成的带状光谱。产生分子光谱的是处于气态或溶液中的分子,分子光谱分三个层次:转动光谱、振动光谱、电子光谱。

当物质受到光辐射作用时,物质中的分子或原子以及强磁场中的原子核吸收了特定的光子之后,由低能态 (一般为基态被激发跃迁到高能态 (激发态 ,此时如将吸收的光辐射记录下来,得到的就是吸收光谱。按其产生的本质可分为:分子吸收光谱(包括紫外与可见吸收光谱, 红外吸收光谱、原子吸收光谱及核磁共振波谱等。

吸收了光能处于高能态的分子或原子,其寿命很短, 当它们回到基态或较低能态时,有时以热的形式释放出所吸收的能量,由于这种热量很小,一般不易觉察出来; 有时重新以光辐射形式释放出来,由此获得的光谱就是发射光谱。发射光谱按其产生的本质, 通常分为:原子 (离子发射光谱、分子发射光谱和 X 射线发射光谱。

发射光谱的特征是在暗背景上有明亮的谱线或谱区,吸收光谱的特征则是在连续的亮背景上有暗线或暗区。

2. 什么是复合光和单色光?光谱分析中如何获得单色光?

答:包含多种频率成分的光,称为复合光。