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光谱分析(1IR).ppt

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光谱分析(1IR)课件

材料分析技术 主讲 东南大学材料科学与工程学院 万克树 副教授 材料学院: Room 515 答疑时间:单周周一上午 keshuwan@ 电话 * 第四章 光谱分析法 光谱分析法概述 红外吸收光谱法 拉曼散射光谱法 光谱分析法 光谱分析法是基于物质对不同波长光的吸收、发射等现象而建立起来的一类光学分析法。 光谱是光的不同波长成分及其强度分布按波长或波数次序排列的记录,它描述了物质吸收或发射光的特征,可以给出物质的组成、含量以及有关分子、原子的结构信息。 光谱分析法概述 电磁波谱 原子能态 价电子 内层电子 分子能态 固体能带 光谱法分类 光谱分析仪器与光学元件 电磁波的性质 1 波长(λ) 相邻两个波峰或波谷之间的直线距离,单位为米(m)、厘米(cm)、微米(μm)、纳米(nm)。这些单位之间的换算关系为1m=102cm=106μm=109nm。 2 频率(v) 单位时间内通过传播方向某一点的波峰或波谷的数目,即单位时间内电磁场振动的次数称为频率,单位为赫兹(Hz,即s-1)。 3 波数(σ) 每厘米长度内所含的波长的数目,它是波长的倒数,即 σ =1 / λ 波数单位常用cm-1来表示。 4 传播速度 辐射传播速度υ等于频率v乘以波长λ,即υ=v λ。在真空中辐射传播速度与频率无关,并达到最大数值,用c表示,c值准确测定为2.99792×1010cm/s 电磁波谱 原子能态-原子结构与电子量子数 核外电子的运动状态由n(主量子数)、l(角量子数)、m(磁量子数)、s(自旋量子数)和ms(自旋磁量子数)表征。5个量子数也相应表征了电子的能量状态(能级结构)。 n、l、m对核外电子状态的表征意义 原子的电子能级示意图 原子能态与原子量子数 多电子原子中,存在着电子与电子相互作用等复杂情况,量子理论将这些复杂作用分解为: 轨道-轨道相互作用:各电子轨道角动量之间的作用 自旋-自旋相互作用:各电子自旋角动量之间的作用 自旋-轨道相互作用:指电子自旋角动量与其轨道角动量的作用,单电子原子中也存在此作用 并将轨道-轨道及自旋-自旋作用合称为剩余相互作用,进而通过对各角动量进行加和组合的过程(称为偶合)获得表征原子整体运动状态与能态的原子量子数。 原子基态、激发及能级跃迁 通常,原子核外电子遵从能量最低原理、包利(Pauli)不相容原理和洪特(Hund)规则,分布于各个能级上,此时原子处于能量最低状态,称之为基态。 原子中的一个或几个电子由基态所处能级跃迁到高能级上,这时的原子状态称激发态,是高能态;而原子由基态转变为激发态的过程称为激发。 显然,激发需要能量,此能量称为激发能,常以电子伏特(eV)表示,称为激发电位。 激发能的大小应等于电子被激发后所处(高)能级与激发前所处能级(能量)之差。 高能级电子向低能级空轨道的移动称为跃迁。 跃迁选择定则。 激发-跃迁对应于吸收与发射。 价电子跃迁与原子光谱 原子价电子能级发生变化而产生。 激发-跃迁对应于吸收光谱与发射光谱。 价电子跃迁能量变化在1-20eV之间。 所以波长大多分布在紫外-可见光区域。 内层电子跃迁与X射线光谱 内层电子跃迁能量较高,对应波长X射线区域。 除了辐射X射线还有部分能量以Auger电子的形式放出。 固体中能带的形成 原子中核外电子在原子轨道上运动并处于不同的分立能级上。当N个原子相接近形成晶体时将发生原子轨道的交叠并产生能级分裂现象。 量子理论证明,N个原子中原先能量值相同的能级(如各原子的2s能级)将分裂成N个能量各不相同的能级;但分裂的各能级能量差值不大。 由于固体中原子数N很大(1mm3晶体,N=1019~1021),因而N个分裂的能级差值极小,以致于可以视为连续分布,即形成有一定宽度的能带。 一般晶体的能带宽度(?Eg)约为几个eV(最多不过几十个eV)。 能带的形成(示意图) 能带结构的基本类型及相关概念 禁带 能隙 价带 导带 满带 空带 绝对零度时固体中电子占据的最高能级称为费米能级,其能量称费米能(EF)。 光谱分析法仪器的基本流程 光源 单色器 棱镜 棱镜的特性与参数 (2)分辨率 光栅 光栅参数: 光栅的分辨率R 狭缝 试样装置 检测器 信号、与数据处理系统 光谱分析法概述 红外吸收

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