波谱法及其应用.ppt

* 第1章 绪论 1.1 波谱法及其应用 物质在光（电磁波）的照射下，引起分子内部某种运动，从而吸收或散射某种波长的光，将入射光强度变化或散射光的信号记录下来，得到一张信号强度与光的波长或波数(频率)或散射角度的关系图，用于物质结构、组成及化学变化的分析，这就叫波谱法。 波谱法包括的范围很广。 四谱：红外光谱、紫外与可见光谱、核磁共振和质谱。 拉曼光谱、荧光光谱、旋光光谱和园二色光谱、顺磁共振谱都是属于波谱法范畴。 在十九世纪五十年代，开始应用目视比色法。不久发现了Beer定律。十九世纪末开始了红外和紫外光谱测定。二十世纪，科学技术发展，仪器性能大大提高，实验方法不断改进和革新。特别是计算机的应用，使波谱法得到了突飞猛进的发展。 经典的化学分析去确定物质的分子量、分子式和结构式是很困难的。例如吗啡从鸦片中提出来到最后确定其结构大约用了150年的时间。 现代的波谱法不仅可以确定分子量、分子式、结构式，还可以使用X射线衍射法，特别是使用单晶衍射仪，测定晶体的X射线衍射图，从而进一步确定分子中键长、键角等结构参数。 二十一世纪化学学科的四大难题的解决少不了波谱。 1.化学反应的理论和规律； 2.结构和性能的定量关系； 3.纳米粒子的基本性质和运动规律； 4.活分子的基本运动规律。 各种波谱法原理不同，其特点和应用也各不相同。每种波谱法也都有其适用范围和局限性。在使用时应根据测定的目的、样品性质、组成及样品的量选择合适的方法，在很多情况下要综合使用多种波谱法才能达到目的。 1.2 电磁波与波谱 1.2.1 电磁波的性质 从量子观点看，光是由一个个光子组成。每个光子具有能量：光同时具有波动性和微粒性。 E=hυ=hc/λ=hc h为普朗常数，C为光速， υ为频率， 为波数（单位可用cm-1，波数-每cm波中波的个数）。 光的波长越短，波数和频率越大，能量越高。 从波动观点看，光是电磁波。电磁波具有两个相同位相、互相垂直、又垂直于传播方向的振动矢量，即电场强度(又叫电矢量和光矢量)和磁场强度(磁矢量)。 光 波是横波，即光矢量振动方向与传播方向垂直。 在垂直于传播方向的平面上看，光矢量还有三种不同的状态，即偏振态、非偏振态和部分偏振态。偏振态光又分为线偏振光、园偏振光、椭圆偏振光。 E-电矢量 H-磁矢量 线偏振光：光矢量一个平面内振动，只改变大小而不改变方位。在沿传播方向看过去，光矢量只一条线（ ），故叫线偏振光；线偏振光分布在某一个平面上，所以线偏振光又叫平面偏振光。见图1-1。 E-电矢量 H-磁矢量 平面偏振光也可以看作由两束振幅相等而旋转方向相反的两束园偏振光的组合的结果。 图1-2（a） 图1-2(b) 园偏振光：在传播过程中，光矢量的顶端的轨迹描出一个螺旋线，它的大小不变，方位变化。 面对传播方向看，光矢量顶端的轨迹顺时针旋转叫右旋偏振光，反时针旋转叫左旋园偏振光。 椭圆偏振光：当平面偏振光通过手性化合物后，左右旋两束光被吸收情况不同导致振幅不相等。两束旋转方向相反而振幅不相等的园偏振光组成一束椭圆偏振光。 此时光矢量的大小和方向都在变。从传播方向面对光源看过去，光矢量顶端的轨迹是一个椭圆。 椭圆偏振光 自然光：在沿着同一传播方向上有许多偏振光的集合，光矢量在垂直于光波传播方向的平面上的各个方向上对称地平均分布。 自然光通过一些作为起偏器的棱镜后，可以得到平面偏振光。 1.2.2 分子能级与波谱 分子内的运动有:平动、转动、原子间的相对振动、电子跃迁、核的自旋跃迁等形式。 △E=E激-E基 每种运动都有一定的能级。除了平动以外，其他运动的能级都是量子化的。即某一种运动具有一个基态，一个或多个激发态，从基态跃迁到激发态，所吸收的能量是两个能级的差而不是随意的： （1)平动能： 平动是分子整体的平移运动。平动能是随温度升高而增大。可以是连续变化的、非量子化的。平动不会产生光谱。平动能也是各种分子运动能中最小的。 （2）核的自旋跃迁： 自旋量子数I为1/2的核，如1H、13C等在磁场中有两种自旋取向，一个能级高，一个能级低。 低能级的核吸收电磁波跃迁到高能级时得到核磁共振谱。这种跃迁所需的能量仅比平动能大，而小于其他分子运动能。 （3）转动能Ej： 分子围绕它的重心作转动时的能量叫转动能。转动