光催化课件准备知识一光的特性与光源(精)

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。 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。 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 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； 当电输入功率大于10kJ/s 后，200~600 nm 光占40%以上 300~600 nm 光的输出功率为20%以上 366 nm 光的输出功率约占5%
二、 光的波长和能量
1. 光为电磁波，用 （波长）、 （频率）、E（光子能量）、 C
（光速）表征
E = h = hC/
EN = h N = NhC/ （1摩尔光子的能量） N：阿佛加德罗常数；h ：普朗克常数 有时1摩尔光子称为1爱因斯坦
2. 换算单位 E = 3.634×10－16 / (cal) = 1.986×10－15 / (J) = 1.24×104 / (eV)
吸光强度：IA = Io(1-e -acL)
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、液、固三种聚集状态，有不同的表达式
= Ioe –εcL 固相： IT = Ioe –kNL
液相：IT 气相： IT
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
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 = E/t E：光源辐射能量；t：辐照时间 2. 辐射强度（ Io ）：给定表面单位面积上的入射辐射通量 Io = /S; 单位 w/m2, mw/cm2 ：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 Iv = /V ：入射辐射通量；V：被辐照介质的体积
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。
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。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。
1. 太阳光
量大、时间长，普照大地，清洁安全，每年至地球表面的热量相当于130 万亿吨煤燃放的热量。天然存在，长久不衰。 太阳发射光谱：30%被大气返回宇宙 23%被大气层吸收 47%到达地球表面 日地平均距离处，单位时间、单位面积所接收太阳辐射光谱：
注意事项：
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200~3000小时； 电源连稳压器； 新灯要点燃几小时，稳定“熟化”； 每次开启汞灯，也要等待15~20min； 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。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、 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，使用 广泛。 壁温高至数百度，要及时清洗外壳，保持透明。寿命2000~3500小时。
透镜聚光：
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1 凸透镜 2 反应器 3 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185~750nm。 发光原理 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，产生 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， 发射出光子。
= 1.197×10 6 / （kJ· mol－1） = 2.865×10 5 / （kcal· mol－1） ：光波长(nm)
三、 朗伯-比尔定律(Lambert-Beer)
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L的介质， 被介质吸收的光或透过介质的光强度。
透光强度：IT = Ioe -acL
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－比耳定律的 另一表达式：
E=lg(Io/IT)=lg(1/T)= cL
E：溶液消光值，也称吸光度（光密度），用D表示； Io：入射光强度；IT：透光强度；T：透光率； C：浓度mol dm -3；L：液层厚度（光程长度），cm； ：摩尔消光系数， dm3mol-1cm-1
Ne + e- Ne+ + 2eNe+ + e- Ne* Ne* + Hg Hg* + Ne Hg* Hg + h（光）
1）低压汞灯：汞蒸汽压为0.1 MPa数量级 主要发射185nm和254nm两条狭窄的强谱带，其余很低。
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。
若多组分对某一波长都有吸收，则消光值有加和性：
E = 1c1L + 2c2L + · · ·＋ ncnL
E: 总消光值；i：i 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 注意： 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， 会引起溶剂化或分子间缔合作用，使定律不成线性；
紫外辐射 (400nm)：受光密度近似117.7 w/m2 可见光(400~720nm)：受光密度近似542.6 w/m2 红 外 (720nm)：受光密度近似692.6 w/m2
1. 大气层外界处； 2. 大气质量m=1.306的地表面处 3. 大气质量m=2.200的地表面处
大气中O2、N2、O3、H2O、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。地 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. 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： 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 间断性： 不稳定性： 因此可聚光提高受光密度。