第 12 章光学分析法导论 An Introduction to Optical Analysis

第 12 章

光学分析法导论

An Introduction to Optical Analysis

第 12 章光学分析法导论 An Introduction to Optical Analysis

什么叫光学分析法？利用电磁辐射为“探针”来探测物质性质、含量和结构的方法。 12-1 电磁辐射的基本特征 12-2 辐射与物质的相互作用 12-3 光学分析法的分类 12-4 光学光谱法的仪器

12-1 电磁辐射的基本特征

1 什么叫电磁波？

一种以巨大速度通过空间，不需要以任何物质作为传播媒介的能量形式，称为电磁波。

在整个电磁辐射范围内，按波长或频率的大小顺序排列起来，即为电磁波谱

电磁波的二重性

第 12 章光学分析法导论

2 波动性可用波性质的波参数来描述

周期 P （ s ）频率（ s-1=Hz ） =1/ P

波长厘米微米纳米埃 cm m nm Å

10-2 m 10-6 m 10-9 m 10-10m

波数（ cm-1 ）称为开瑟 (Kayser, K 表示 )=1/

第 12 章光学分析法导论 12-1 电磁辐射的基本特征


2 波动性可用波性质的波参数来描述

“时”域参数———周期 P 频率 “空”域参数———波长波数“时”域参数与“空”域参数的联系：传播速度 V c

m/s V=

真空中传播速度 c= (2.997925±0.000001)×1010cm/s

应该注意：频率更能表征辐射的特征频率只决定于辐射源，而与介质无关波长与传播速度 V 、介质（折射率 n=c/V ）有关


3 粒子性及普朗克关系式

☆ 粒子性不连续的能量微粒————光子（光量子）能量 1 eV=1.6021892×10-19 J

常用每摩尔能量 1 erg=10-7 J=2.3901 ×10-8 Cal =6.2418 ×1011 eV

1 Cal=4.186 J

☆ 普朗克 (Prank) 关系式波动性——粒子性之间的“桥” E = h = hc /

普朗克常数 (6.62559 ± 0.00015)×10-34 焦耳秒 (Js)

核跃迁

磁场中自旋取向

分子转动

分子振动共价电子跃迁

内层电子跃迁

- 射线

X –射线紫外

可见光

近红外

中红外远红外顺磁共

振

核磁共振

红外波段微波波段射频波段

108 107 106 105 104 103 102 101 1 10-1 10-2 10-3

10-

10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1

1

101

波数(cm-1)

波长(m)

200 nm 800 nm


4 电磁波谱及分析方法第 12 章光学分析法导论 12-1 电磁辐射的基本特征

4 电磁波谱及分析方法电磁波谱区域

近紫外


4 电磁波谱及分析方法电磁波谱区域与相应的光谱分析方法

光谱区域波长范围跃迁类型光谱分析方法射线 0.001 ~0.1Å 核能级跃迁射线发射法莫斯堡尔法 X 射线 0. 1 ~100Å 原子內层电子能级跃迁 X- 荧光、衍射法电子能谱分析法真空紫外 10~200nm 真空紫外吸收光谱

法紫外 200~400nm 外层电子及价电子能级紫外可见吸收光谱法可见 400~800nm 外层电子及价电子能级原子吸收、发射、荧光法分子荧光光谱法近红外 0.8~2.5μm 分子振动能级红外吸收光谱法中红外 2.5~50μm 分子振动能级拉曼光谱法远红外 50~300m 分子转动能级微波 0.3~1000mm 分子转动、电子自旋能级微波吸收、电子顺磁共振谱无线电波 1m ~ 1000m 核自旋核磁共振谱

（单色光）入射法线反射 I0 Ir

i1 i2

空气 n1 =1

玻璃 n2 =1.5 r2

折射

折射 : 斯涅尔（ Snell ）折射定律 n2Sinr2 = n1Sini1

反射 : 入射角 i1 = 反射角 i2

⊥ 反射的反射率 = Ir / I0= (n2 - n1)2/ (n2 + n1)2

i1 ＜ 60° 时变化不大

12-2 电磁波与物质的相互作用


全反射： Sini2>n1/n2 时出现 i2 超过某一值时，便发生全反射 , 此角称临界角服从反射定律仅出现在折射率较高的介质中。色散：折射率 n 随频率而变，复合光的折射角随频率而改变 n ↑ ↑ 正常色散适宜制作透镜 n↓ ↑ 反常色散适宜制作棱镜

第 12 章光学分析法导论 12-2 电磁波与物质的相互作用

干涉：两个波叠加时，组合波的振幅是组份波的矢量和同相位组合波相长相位差 1800 组合波相消衍射：干涉现象的结果平行单色光通过狭缝时 ,

可在透镜后，屏幕上看到明暗交替的衍射条纹


散射：瑞利 (Rayleigh) 散射强度同波长的四次方成反比频率不改变拉曼 (Raman) 散射量子化的频率改变吸收：发射：—— 能级间跃迁满足△ E=h

高能态（激发态） Ei

吸收发射能级 h h 能级的简并低能态（基态） E0 跃迁光谱


物质辐射能相互作用为基础折射非光谱法—— 反射不涉及能级间的跃迁色散只改变传播方向、速度散射相应方法光学分析法或某些物理性质干涉衍射旋光光谱法——能级跃迁——波长和强度


按电磁辐射的物质对象分子光谱原子光谱按电磁辐射的能量传递方式光谱法吸收、发射、荧光、拉曼光谱按电磁辐射的量子跃迁类型格核能级谱，电子、振动、转动光谱，电子自旋及核自旋谱按电磁辐射的能量大小

相关方法简介，见教材

12-3 光学分析法的分类第 12 章光学分析法导论

第 12 章光学分析法导论 12-3 光学分析法的分类

按电磁辐射的能量大小光谱区域波长范围跃迁类型光谱分析方法

射线 0.001 ~0.1Å 核能级跃迁射线发射法莫斯堡尔法 X 射线 0. 1 ~100Å 原子內层电子能级跃迁 X- 荧光、衍射法电子能谱分析法真空紫外 10~200nm 真空紫外吸收光谱

法紫外 200~400nm 外层电子及价电子能级紫外可见吸收光谱法可见 400~800nm 外层电子及价电子能级原子吸收、发射、荧光法分子荧光光谱法近红外 0.8~2.5μm 分子振动能级红外吸收光谱法中红外 2.5~50μm 分子振动能级拉曼光谱法远红外 50~300m 分子转动能级微波 0.3~1000mm 分子转动、电子自旋能级微波吸收、电子顺磁共振谱无线电波 1m ~ 1000m 核自旋核磁共振谱

电磁波谱区域与相应的光谱分析方法

• 三种类型光谱仪器的总体结构特点？• 光学光谱仪器的部件、特点及光谱的匹配

问题？• 光源、检测器的一般要求、类型及各自的

特点？• 滤光片、单色器的类型及其光学特性的表述？• 色散率、分辨率的定义及有关概念。

12-4 光学光谱法的仪器


《光学分析法导论》《光学分析法导论》结束结束

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