光学分析法彭敬东.pptx

掌握光学分析仪器的基本构成单元及其作用了解光学分析法的基本分类了解光与物质的相互作用特点及其与光学分析法的关系 第一节 光分析基础一、光分析法及其特点 optical analysis and its characteristics 光分析法：基于电磁辐射与待测物质相互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法.三个基本过程：（1）能源提供能量（2）能量与被测物之间的相互作用（3）产生信号 基本特点：（1）所有光分析法均包含三个基本过程；（2）选择性测量；（3）涉及大量光学元器件。二、电磁辐射的基本性质 basic properties of electromagnetic radiation电磁辐射：以接近光速通过空间传播能量的电磁波.光是粒子流，光的颜色是因为粒子流中微粒种类不同；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； 麦克斯韦证明光是一种电磁波，于是光的波动学说战胜了粒子学说，在相当长时期占据统治地位； 20世纪初，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，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.电磁辐射具有波动性和微粒性（波粒二象性）：（1） 光的波动性： 光的传播如光的折射、衍射、偏振和干涉等现象可以用光的波动性来解释。波动性—用周期、频率?（取决于辐射源，与介质无关）、波长?、波数、光速C 等波参数描述 光 2） 光的微粒性解释光电效应、光的发射和吸收。（光的微粒性）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。 被辐射激发的振动质点的能量是量子化的，当振子从一个允许的高能级向低能级跃迁时就有一个光子的能量发射出来。 单位：eV或J（1eV = 1.602×10-19J，1J = 6.241×1018eV） 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。λ越长，ε越小，ν、σ越低每个光子的能量与相应频率或波长之间的关系为普朗克方程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。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·s-1)/530×10-7 cm = 3.75×10-19 J 1 J=6.241×1018 eV, 则 E= 3.75×10-19 J×6.241×1018 eV·J-1=2.34 eV2. 频率ν= c/ λ = 2.998×1010 cm·s-1/ 530×10-7 cm3. 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-12.电磁波谱电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列。表2 电磁波谱区及常用光学分析方法光谱区域 波 长 光 学 分 析 方 法 ?射线5*10-3?0.14nm?射线光谱法 X射线10-3 nm~10nm X射线光谱法 光学区10nm~1000nm 原子发射光谱法、原子吸收光谱法、 原子荧光光谱法、紫外吸收光谱法、 可见吸收光谱法、分子荧光光谱法、 红外吸收光谱法 微 波0.1mm~1m微波光谱法无线电波1m以上 核磁共振波谱法三、物质和光的作用 当一束光照射到物体上时,除透过部分光与分子没有作用外,物质将吸收和散射一部分光。1. 物质吸收光的过程 分子吸收光能,吸收时间极短,只有10-15 sec.,电子由基态跃迁到较高能态的激发态。 X + hv →X* 激发态的寿命很短,约为10-8 sec.,然后以发生光物理和光化学反应后,以下列形式回到基态。 (1)原子吸收 当电磁辐射作用于气态自由原子时, 电磁辐射将被原子所吸收。 原子外层电子任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外或可见光区，气态自由原子主要吸收紫外或可见电磁辐射。 电子能级数有限，吸收的特征频率也有限。 原子通常处于基态，由基态向更高能级的跃迁具有较高的概率。(2)分子吸收 当电磁辐射作用于分子时，电磁辐射也将被分子所吸收。Ｅ分子＝Ｅ电子＋Ｅ振动＋Ｅ转动分子吸收光谱较原子吸收光谱复杂。分子