《仪器分析》第十章光学分析法导论.pptx

光学分析法简介 1、电磁波的基本性质：波动性和微粒性（1）波动性： 光的许多性质可以用经典的波动模式来描述。从麦克斯韦波动路论来看，频率为ν的电磁波是一个伴随磁效应的交变电场。波与环境的相互作用，可以按照表示力场的电矢量和表示磁场的磁矢量来讨论。第一页，共五十页。Y电矢量XZ磁矢量光的矢量表示 电磁场垂直于波的传播方向做周期性变化，即电场在Y轴方向变化，磁场在Z轴方向变化。多数情况下，只考虑电矢量就可以描述光的性质，只有讨论磁共振时才用到磁矢量。第二页，共五十页。描述光 特性的参数： 频率（ν）：电场每秒内的交变次数，单位为s-1，又称为赫兹（Hz） 波长（λ）：相邻两个波各相应点之间的距离，单位m，也可以用μm、nm表示。 波数（σ）：单位长度内波的数目，即波长的倒数。 它们之间的关系为：λ＝c/ν σ=1/λ c是光在真空中的传播速度，2.99792?108m/s（或3?108m/s）。第三页，共五十页。Y2Y211时间时间 光波具有叠加性，即当两个波在同一空间传播时，会发生两个波相互叠加而产生光的干涉现象。 合成波的频率与原来的两个波相同，但是振幅不同。当两个波合成相位相差180? ，发生相消干涉。 正弦波的叠加示意图第四页，共五十页。（2）微粒性 电磁波的粒子性是指光辐射由具有一定能量的光子组成，这个观点可以通过光电效应来验证。光子的能量与辐射的频率成正比，关系式为： E＝hν＝hc/λh为普朗克常数，6.62?10-34J?s。能量E的单位是焦耳（J）或者电子伏特（eV），1 eV＝1.6?10-19 J。 例如，200nm波长的光，其能量为：E＝hc/λ＝6.62?10-34 J?s ?3?108 m ?s-1 /（200?10-9m）＝9.93?10-19 J = 9.93?10-19 J/(1.6?10-19 J? eV-1) = 6.2 eV。 第五页，共五十页。第六页，共五十页。2、光与物质的相互作用（1）光的吸收： 不同波长的光通过某物质时，其中某些频率的光将被物质选择性地吸收，致使光的强度减弱。被吸收的光能使得物质的原子或者分子由较低的能级（基态）跃迁到较高能级（激发态）。被吸收的光子的能量恰好等于基态和激发态的能量之差。 不同的物质基态与激发态的能量差不同，因此，对光能的选择性吸为鉴定物质提供了理论基础。第七页，共五十页。 根据物质对光吸收的性质，分为原子吸收、分子吸收、磁场诱导吸收。 原子吸收：单原子粒子的吸收，由价电子产生跃迁引起。内层电子的跃迁吸收峰可能在X射线区才出现； 分子吸收：复杂，分子的总能量由转动、振动、和电子能量三者加和，电子能级中包括几个振动能级，振动能级中由包括多个转动能级。由于能级分布特征，分子吸收光谱呈现较宽波长范围的吸收带。第八页，共五十页。 磁场诱导吸收：某些元素的电子或者核受到磁场作用时，由于粒子的磁性质产生了量子化的能级分裂，这些分裂的能级间能量差很小，由低频长波的吸收激发引起跃迁。 对原子核的跃迁采用（10-200）?106Hz的无线电波，对电子的磁场诱导吸收跃迁常用（1000-25000）? 106Hz的微波。核磁共振是研究磁场中原子核的吸收情况，而电子自旋共振是研究电子在磁场中的吸收情况。第九页，共五十页。（2）光的发射 当被激发的原子、分子、离子回到低能态时，以光的形式辐射释放能量，产生发射光谱。 激发方法： 电子、粒子轰击激发 高压交流火花、电弧 火焰热能 吸收电磁辐射能 发射光的粒子之间完全分离，则产生不连续的特定波长的线状光谱；粒子彼此靠近或者由许多能量相差很小的能级间的激发产生的光谱，则是连续光谱。第十页，共五十页。氘灯碳弧钨灯Nernst灯104相对能量1036000 K4000 K1023000 K102000 K波长 nm500 1000 1500 2000 2500 3000 发射种类：1）热辐射 固体加热到白炽状态，就会发射出连续光谱来，这类辐射属于黑体辐射，它产生于固体中被热能激发的分子或者原子的振动。随着温度的升高，各能量向短波方向移动。热辐射通常作为红外、紫外和可见光谱的光源。黑体辐射曲线 第十一页，共五十页。2）气体辐射 气态原子、离子或者分子通过放电或者加热的方法激发产生紫外、可见光，此类辐射是物质的最外层电子跃迁到激发态后返回基态发出的光。原子发射一般是一系列不连续的谱线组成，分子发射则比较复杂，观察到的是许多谱线组成的连续谱带。 例如氢分子受激发能发出400-200nm的连续光谱，常用作吸收光谱的光源。第十二页，共五十页。3）X射线 高速电子流轰击金属靶后靶材料的内层电子跃迁产生的光辐射，可以分为连续X射线和特征X射线两种。4）荧光和磷光 物质吸收较短波长的光后，辐射产生较长波长的光，这就是荧光。 加入受激发原