《仪器分析》第十章光学分析法导论.ppt
《《仪器分析》第十章光学分析法导论.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《《仪器分析》第十章光学分析法导论.ppt(50页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、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。,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。,光的矢量表示,描述光 特性的参数: 频率():电场每秒内的交变次数,单位为s-1,又称为赫兹(Hz) 波长():相邻两个波各相应点之间的距离,单位m,也可以用m、nm表示。 波数():单位长度内波
2、的数目,即波长的倒数。 它们之间的关系为:c/ =1/ c是光在真空中的传播速度,2.99792108m/s(或3108m/s)。,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,(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: Ehhc/ h为普朗克常数,6.6210-34Js。能量E的单位是焦耳(J)或者电子伏特(eV),1 eV1.610-19 J。 例
3、如,200nm波长的光,其能量为: Ehc/6.6210-34 Js 3108 m s-1 /(20010-9m)9.9310-19 J = 9.9310-19 J/(1.610-19 J eV-1) = 6.2 eV。,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。,根据物质对光吸收的性质,分为原子吸收
4、、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。,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
5、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。,(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。,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
6、,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。,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。 加入受激发原子或者分子回到低能态时,先回到亚稳态,并且在亚稳态停留一段时间后再返回基态,此时发射的光比荧光的
7、能量更小,称为磷光。 荧光的寿命是10-9-10-6s,磷光的寿命是10-4-10s。,(3)光的透射、折射、反射和散射 光的透射与折射 光的透射是指光通过透明介质时的性质,通常会发生折射(入射角不为垂直时)。实验证明,光通过透明介质时的速度比真空中的速度小,ni为频率为i的光的绝对折射率,vi是该光在介质中的速度,c是光在真空中的速度,则有: ni=c/vi 因为光传播的速度与频率有关,而c是常数,因此折射率是随着频率改变而改变的,即波长不同的光的折射率不同。,当光束从一种介质到另一种介质时,由于两个介质的密度不同使得光束在二介质中的传播速度不同,并且方向也发生改变的现象成为折射。折射由斯涅
8、耳(Snell)定律表示:,对于入射光为复色光的情况,由于各波长不同的光的折射率不一样,折射角因此不一样,从而会发生色散现象,棱镜的分光作用就是基于此。,光的反射 光射到两个不同折射率的介质的界面时,还会发生光的反射现象,反射的多少与折射率的差值以及入射角有关,反射的分数由下式决定:,I0、Ir分别式入射光和反射光的强度,n1、n2分别是二种介质的折射率。,光的散射 光在通过介质时,除了发生反射和折射外,还有与入射路径成各种角度方向的传播,这就是散射现象。 散射的强度随着介质粒子的大小不同而不同。对于含有较大粒子的胶体溶液,散射现象肉眼可以看见(丁道尔现象)。对于粒子比光的波长小得多的分子或者
9、分子聚集体引起的散射称瑞利散射。散射光的强度与波长、粒子大小和可极化性有关。 散射常用作浊度分析、X射线衍射分析。当光子与分子作用时,由于极化过程中分子的振动能级和转动能级跃迁引起频率变化,这种散射又称为拉曼散射。,(4)光的衍射 光波绕过障碍物或者通过狭缝时,以约180度的角度向外辐射,波前进的方向发生了弯曲,这就是波的衍射现象,它是干涉的结果。,(5)光谱的产生 光的吸收和发射对应于物质能级的跃迁行为,如果以光的发射或者吸收的强度作为光能量的函数来测量,就可以得到关于原子核、原子或者分子的特有光谱,并进一步将这种特定的能量跃迁与作用物质的浓度联系起来。,体系能量改变分布图,若体系在某一温度
10、下达到平衡状态,则处在激发态能级上的粒子分数可以由玻尔兹曼方程得出:,Ni为激发态能级上的粒子浓度,N为总的粒子浓度,gi、g0分别是激发态和基态能级的统计权重,它表示相同能级的数目,Ei为激发电位,T为绝对温度,k为玻尔兹曼常数,1.3810-23 JK-1。,3、光学分析法分类 分为光谱法和非光谱法。非光谱法是基于光与物质作用时测量光的某些性质,如折射、散射等等。 光谱分析方法是基于测量物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射光谱或吸收光谱的波长和强度来进行定性和定量的方法。 根据电磁辐射的本质,可将光谱法分为原子光谱和分子光谱。 根据电磁辐射能量的传递方式,可将光谱分析方法分为发射
11、光谱法、吸收光谱法、散射光谱法等。,电磁波谱区及常用光学分析方法,4、光学分析法的特点 灵敏度高。 使用试样量少。 适用的被测组分含量范围很广泛。 分析速度快。 多元素同时测定 5、光学方析法的应用 光学分析法是仪器分析中种类最多的一大类分析方法,目前已达几十种之多,应用范围十分广泛:工农业生产、国防、医药卫生、生物、地质矿产、环境保护等各领域,几乎所有需要分析测试的领域,都有可能用到光学分析方法。,6、光学分析仪器的组成 (1)光源 (2)波长选择器 (3)样品池 (4)检测器 (5)信号处理器及读出装置,光源 分为连续光谱光源和线光谱光源,连续光谱光源主要用在紫外-可见、红外分析中,线光谱
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 仪器分析 仪器 分析 第十 光学 导论
链接地址:https://www.31doc.com/p-2895390.html