下载文档原格式
第二章光学分析法导论一、选择题1．电磁辐射的粒子性主要表现在哪些方面（）A．能量B．频率C．波长D．波数2．当辐射从一种介质传播到另一种介质时，下列哪种参量不变（）A．波长B．速度C．频率D．方向3．电磁辐射的二象性是指（）A．电磁辐射是由电矢量和磁矢量组成B．电磁辐射具有波动性和电磁性C．电磁辐射具有微粒性和光电效应D．电磁辐射具有波动性和粒子性4．可见光区、紫外区、红外光区、无线电波四个电磁波区域中，能量最大和最小的区域分别为（）A．紫外区和无线电波区B．可见光区和无线电波区C．紫外区和红外区D．波数越大5．有机化合物成键电子的能级间隔越小，受激跃迁时吸收电磁辐射的（）A．能量越大B．频率越高C．波长越长D．波数越大6．波长为的电磁辐射的能量是（）A．B．C．124eV D．1240 eV7．受激物质从高能态回到低能态时，如果以光辐射形式辐射多余的能量，这种现象称为（）A．光的吸收B．光的发射C．光的散射D．光的衍射8．利用光栅的（）作用，可以进行色散分光。
A．散射B．衍射和干涉C．折射D．发射9．棱镜是利用其（）来分光的。
A．散射作用B．衍射作用C．折射作用D．旋光作用10．光谱分析仪通常由以下（）四个基本部分组成。
A．光源、样品池、检测器、计算机B．信息发生系统、色散系统、检测系统、信息处理系统C．激发源、样品池、光电二级管、显示系统D．光源、棱镜、光栅、光电池1．不同波长的光具有不同的能量，波长越长，频率、波数越（），能量越（）；反之，波长越短，能量越（）。
2．在光谱分析中，常常采用色散元件获得（）来作为分析手段。
3．物质对光的折射率随着光的频率变化而变化，这中现象称为（）。
4．吸收光谱按其产生的本质分为（）、（）、（）等。
5．由于原子没有振动和转动能级，因此原子光谱的产生主要是（）所致。
6．当光与物质作用时，某些频率的光被物质选择性的吸收并使其强度减弱的现象，称为（），此时，物质中的分子或原子由（）状态跃迁到（）的状态。
第2章光学分析法导论光学分析法是一种常用的分析方法，广泛应用于材料科学、化学、生物、医学等领域。
在分析过程中，通过光的吸收、散射、反射等性质来获得样品的信息。
本章将介绍光学分析法的基本原理和常见的应用。
1.光学分析法原理光学分析法是利用光与物质相互作用来获得样品信息的方法。
其中最基本的原理是光的吸收、散射和发射。
当光通过物质时，会与物质的分子或原子发生相互作用，导致光的振动矢量和频率发生改变。
通过测量光的吸收、散射或发射，可以得到物质的各种信息。
2.光的吸收法光的吸收法是通过测量物质对特定波长光的吸收来确定样品中其中一种物质的含量。
该方法常用于分析有机化合物和无机物中的金属离子含量。
测量方法包括光度法、比色法、比较法等。
其中最常见的是光度法，即通过测量光的强度来确定样品中物质的含量。
在实际应用中，可以根据吸收光谱图来确定样品中各种物质的含量和种类。
3.光的发射法光的发射法是通过测量样品发光的强度来确定样品的成分和性质。
发射光谱的特点是样品发射出符合波长的光，通常用于分析无机化合物中的金属元素。
常用的方法包括原子发射光谱法和荧光光谱法。
其中原子发射光谱法是在样品被激发时，各种金属元素自发射出特定波长的光，通过测量光的强度来确定金属元素的含量。
荧光光谱法则是通过将样品激发到荧光状态，然后测量样品散射出的荧光光强度来确定样品的成分和性质。
4.光的散射法光的散射法是通过测量光的散射强度来确定样品的成分和性质。
散射光谱的特点是样品散射出具有不同波长的光，通常用于分析颗粒物质的大小、浓度和形状等。
常用的方法包括拉曼光谱法和动态光散射法。
拉曼光谱法是通过测量样品散射光中与入射光具有不同频率和振幅的拉曼散射光来确定样品的成分。
动态光散射法则是通过测量样品散射光的强度和角度分布来估算样品颗粒的大小和浓度。
5.光学分析法的应用光学分析法在各个领域都有广泛的应用。
在材料科学中，可以通过测量光的吸收、发射和散射来研究材料的光学性质、结构和相变等。
光学分析方法导论光学分析方法是现代分析化学中重要的一个分支，主要利用光的性质进行样品的分析和测量。
光学分析方法广泛应用于食品、环境、药物、化工等领域，具有灵敏度高、分析速度快、非破坏性等优点，因此在实际应用中得到了广泛的应用。
光学分析方法的基本原理是利用光与物质之间的相互作用进行样品的分析。
光信号的检测主要包括吸收、散射、发射、干涉等多种形式，根据这些信号的变化可以推断出样品中所含有的物质种类和含量。
光学分析方法的主要手段包括光吸收光谱法、光散射光谱法、荧光光谱法、拉曼光谱法等。
光吸收光谱法是光学分析方法中最常见的一种方法。
它利用物质对特定波长的光的吸收进行分析。
当光通过样品时，被样品吸收的光将减弱，而通过样品的光则变强。
通过测量样品吸收光的减弱程度，可以得到样品中所含物质的浓度。
常见的光吸收光谱法有紫外可见吸收光谱法、红外吸收光谱法等。
光散射光谱法是另一种常用的光学分析方法。
它利用光在物质中的散射进行分析。
光散射光谱法是一种非常灵敏的方法，可以用来分析微小颗粒的大小、浓度等。
光散射现象在日常生活中也常见，比如我们能够看到空气中的尘埃颗粒是因为光被尘埃颗粒散射而进入我们的眼睛。
荧光光谱法是通过激发物质中的分子或原子使其发生荧光现象，并通过测量荧光光的强度和波长来进行分析。
荧光光谱法具有高灵敏度、高选择性和高时效性的特点，广泛用于分析荧光染料、生物标记物等。
荧光光谱法也被广泛应用于生物医学领域，如生物荧光成像等。
拉曼光谱法是一种利用光与物质相互作用的分析方法。
与光吸收光谱法不同的是，拉曼光谱法主要是通过测量样品散射光中的拉曼散射光谱来进行分析。
拉曼光谱在分析物质分子结构、成分分析等领域具有广泛的应用。
光学分析方法在实际应用中具有许多优点。
首先，光学分析方法的灵敏度非常高，可以进行非常低浓度的物质分析。
其次，光学分析方法非常快速，可以在短时间内得到分析结果。
此外，光学分析方法还具有非破坏性的特点，可以对样品进行非破坏性分析，适用于需要保护样品完整性的领域。
课程介绍一．教学内容1．电磁辐射及电磁波谱的概念、特性及相关物理量2．物质与电磁辐射相互作用及相关的光谱学3．光学分析法的分类及特点4．光学分析法的基本仪器二．重点与难点1．电磁辐射与电磁波谱的特殊2．各物理量的相互换算3．物质与电磁辐射相互作用的机制4．各种能级跃迁的概念及相应的光谱三．教学目标1．牢固掌握电磁辐射和电磁波谱的概念及性质2．熟练掌握电磁辐射各种物理量之间的换算3．清楚理解物质与电磁辐射相互作用所产生的各种光谱4．清晰光学分析法分类的线索5．了解光谱法的基本仪器部件四．建议学时安排2 学时概述光学分析法是基于能量作用于物质后产生电磁辐射信号或电磁辐射与物质相互作用后产生辐射信号的变化而建立起来的一类分析方法。
它是仪器分析的重要分支。
这里需注意到几个问题：●电磁辐射包括从波长极短的γ射线到无线电波的所有电磁波谱范围，而不只局限于光学光谱区。
●电磁辐射与物质的相互作用方式很多，有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等等，各种相互作用的方式均可建立起对应的分析方法。
因此，光学分析法的类型极多。
●基于上述两点，光学分析法的应用之广为其它类型的分析方法所不能相比。
它在定性分析、定量分析、尤其是化学结构分析等方面起着极其重要的作用。
随着科学技术的发展，光学分析法也日新月异，许多新技术、新方法不断涌现。
电磁辐射的性质电磁辐射是一种以极大的速度（在真空中为2.99792×1010cm·s-1）通过空间，而不需要以任何物质作为传播媒介的能量形式（注意！是一个能量形式）。
它包括无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光以及X-射线和γ-射线等。
电磁辐射具有波动性和微粒性--称为电磁辐射的二象性。
1. 电磁辐射的波动性电磁辐射是一种电磁波，它可以用电场矢量和磁场矢量来描述，如图9-1所示，它是简单的单个频率的平面偏振电磁波。
平面偏振就是它的电场矢量E在一个平面内振动，磁场矢量H在另一个与电场矢量E在一个平面内振动，电场和磁场矢量H都是正弦波形，并且都垂直于波的传播方向。
第一章 光学分析法导论（An Introduction to Optical Analysis ）1.1 电磁辐射的性质电磁辐射（electromagnetic radiation ）是一种以极大的速度（在真空中为 2.9979×1010cm ·s －1）通过空间，不需要任何物质作为传播媒介的能量。
它包括无线电波、微波、红外光、紫外-可见光以及X 射线和γ射线等形式。
电磁辐射具有波动性和微粒性。
1.1.1 电磁辐射的波动性根据Maxwell 的观点，电磁辐射的波动性可以用电场矢量E 和磁场矢量M 来描述，如图1.1.1所示。
它是最简单的单个频率的平面偏振电磁波。
平面偏振就是它的电场矢量E 在一个平面内振动，而磁场矢量M 在另一个与电场矢量相垂直的平面内振动。
电场和磁场矢量都是正弦波形，并且垂直于波的传播方向。
与物质的电子相互作用的是电磁波的电场，所以磁场矢量可以忽略，仅用电场矢量代表电磁波。
波的传播以及反射、衍射、干涉、折射和散射等现象表现了电磁辐射具有波的性质，可以用以下波参数来描。
图1.1.1 电磁波的电场矢量E 和磁场矢量M1）周期T相邻两个波峰或波谷通过空间某一固定点所需要的时间间隔称为周期，单位为s （秒）。
2）频率ν单位时间内通过传播方向上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，它等于周期的倒数1/T ，单位为1/s （1/秒），称为赫兹，以Hz 表示。
电磁波的频率只取决于辐射源，与通过的介质无关。
3）波长λ相邻两个波峰或波谷的直线距离。
若电磁波传播速度为c ，频率为ν，那么波长λ为：νλ1⨯=c （1.1.1）不同的电磁波谱区可采用不同的波长单位，可以是m ，cm ，μm 或nm ，他们之间的换算关系为1m=102cm=106μm=109nm 。
4）波数每厘米长度内含有波长的数目，即波长的倒数：c νλ==1 （1.1.2） 单位为cm －1（厘米－1），将波长换算成波长的关系式为：（cm －1）)(10)(14m cm μλλ== （1.1.3） 5）传播速度υ辐射的速度等于频率ν乘以波长λ，即υ=νλ。
在真空中辐射的传播速度与频率无关，并达到其最大值，这个速度以符号c 表示，c 值已被准确地测定为2.9979×1010cm·s －1。
1.1.2 电磁辐射的微粒性电磁辐射的波动性不能解释辐射的发射和吸收现象。
对于光电效应及黑体辐射的光能量分布等现象，需要把辐射视为微粒（光子）才能满意地解释。
Planck 认为物质吸收或发射辐射能量是不连续的，只能按一个基本固定量一份一份地或以此基本固定量的整倍数来进行。
这就是说，能量是“量子化”的。
这种能量的最小单位即为“光子”。
光子是具有能量的，光子的能量与它的频率成正比，或与波长成反比，而与光的强度无关。
λνhch E == （1.1.4）式中E 代表每个光子的能量；ν代表频率；h 是Planck 常数，h=6.626×10－34J·s ；c 为光速，该式统一了属于微粒概念的光子的能量E 与属于波动概念的光的频率两者之间的关系。
光子的能量可用J （焦耳）或eV （电子伏）表示，eV 常用来表示高能量光子的能量单位，它表示1个光子通过电位差为1V 的电场时所获得的能量，1eV=1.602×10－19J ，或1J=6.241×1018eV 。
在化学中用J·mol －1为单位表示1mol 物质所发射或吸收的能量：E=hνN A =hc N A （1.1.5）将Planck 常数h ，光速c 和阿伏伽德罗常数N A 代入，得E=（6.626×10－34×2.998×1010×6.022×1023×）J·mol －1=（11.96 ）J·mol －11.1.3 电磁波谱将各种电磁辐射按照波长或频率的大小顺序排列起来即称为电磁波谱。
表1.1.1列出了用于分析目的的电磁波的有关参数。
γ射线的波长最短，能量最大；其后是X 射线、紫外-可见和红外区；无线电波区波长最长，其能量最小。
表1.1.1 电磁波谱的有关参数由式（1.1.4）可以计算出在各电磁波区产生各种类型的跃迁所需的能量，反之亦然。
例如，使分子或原子的价电子激发所需的能量为1～20 eV ，由（1.1.4）式可以算出该能量范围相应的电磁波的波长为1240～60nm 。
nm nm E hc 12401010602.11100.310626.67191034=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==--λ nm nm E hc 621010602.120100.310626.67191034=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==--λ 1.2 光学分析法及其分类光学分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。
电磁辐射与物质的相互作用关系有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。
光学分析法可以分为光谱法和非光谱法两大类。
光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。
光谱法分为原子光谱和分子光谱。
原子光谱是由原子外层或内层电子能级的变化产生的，它的表现形式为线光谱。
属于这类分析方法的有原子发射光谱法（AES ）、原子吸收光谱法（AAS ）、原子荧光光谱法（AFS ）以及X 射线荧光光谱法（XFS ）等。
分子光谱是由分子中的电子能级、振动和转动能级的变化产生的，表现形式为带光谱。
属于这类分析方法的有紫外-可见分光光度法（UV-Vis ）、红外光谱法（IR ）、分子荧光光谱法（MFS ）和分子磷光光谱法（MPS ）等。
非光谱法是基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的某些性质，如折射、散射、干涉、衍射和偏振等变化的分析方法。
非光谱法不涉及物质内部能级的跃迁，电磁辐射只改变了传播方向、速度或某些物理性质。
属于这类分析方法的由折射法、偏振法、光散射法、干涉法、衍射法、旋光法和圆二向色性法等。
本书主要介绍光谱法，特别是常用于冶金材料分析的光谱法。
如果按照电磁辐射和物质的相互作用的结果，可以产生发射、吸收和联合散射三种类型的光谱。
1.2.1 发射光谱物质通过电致激发、热致激发或光致激发等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子M *，当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱，多余的能量以光的形式发射出来。
M *—→M + hν通过测量物质的发射光谱的波长和强度来进行定性和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。
根据发射光谱所在的光谱区和激发方式的不同，发射光谱有以下几种。
1）γ射线光谱法天然或人工放射性物质的原子核在衰败的过程中发射α和β粒子后，往往使自身的核激发，然后核通过发射γ射线回到基态。
测量这种特征γ射线的能量（或波长），可以进行定性分析，测量γ射线的强度（检测器每分钟的计数），可以进行定量分析。
2）X 射线荧光分析法原子受高能辐射激发，其内层电子能级跃迁，即发射出特征X 射线，称为X 射线荧光。
用X 射线管发生的一次X 射线来激发X 射线荧光是最常用的方法。
测量X 射线的能量（或波长）可以进行定性分析，测量其强度可以进行定量分析。
3）原子发射光谱分析法用火焰、电弧、等离子炬等作为激发源，使气态原子或离子的外层电子受激发发射特征光学光谱，利用这种光谱进行分析的方法叫做原子发射光谱分析法。
波长范围在190～900nm ，可用于定性和定量分析。
4）原子荧光分析法气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子的外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，约经10－8s，又跃迁至基态或低能态，同时发射出与原激发波长相同或不同的辐射，称为原子荧光。
波长在紫外和可见光区。
在与激发光源成一定角度（通常为90°）的方向上测量荧光的强度，可以进行定量分析。
5）分子荧光光谱法6）分子磷光光谱法7）化学发光分析法1.2.2 吸收光谱当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足△E= hν的关系时，将产生吸收光谱。
M + hν—→M*有以下几种吸收光谱法。
1）Mössbauer谱法2）紫外-可见分光光度法利用溶液中分子或基团在紫外和可见光区产生分子外层电子能级跃迁所形成的吸收光谱，可用于定性和定量测定。
3）原子吸收光谱法利用待测元素的气态原子对共振线的吸收进行定量测定的方法。
其吸收机理是原子的外层电子能级跃迁，波长在紫外、可见和近红外区。
4）红外光谱法利用分子在红外区的振动－转动吸收光谱来测定物质的成分和结构。
5）顺磁共振波谱法6）核磁共振波谱法1.2.3 Raman散射频率为ν0的单色光照射到透明物质上，物质的分子会发生散射现象。
如果这种散射是光子与分子发生能量交换的，即不仅光子的运动方向发生变化，它的能量也发生变化，则称为Raman散射。
这种散射光的频率（νm）与入射光的频率不同，称为Raman位移。
Raman 位移的大小与分子的振动和转动的能级有关。
利用Raman位移研究物质结构的方法称为Raman光谱法。
1.3 光谱法仪器用来研究吸收、发射或荧光的电磁辐射的强度和波长的关系的仪器叫做光谱仪或分光光度计。
这一类仪器一般包括五个基本单元：光源、单色器、吸收池、检测器和读出器件，如图1.3.1所示。
1.3.1 光源光谱分析中，光源必须具有足够的输出功率和稳定性。
由于光源辐射功率的波动与电源功率的变化成指数关系，因此往往需用稳压电源以保证稳定，或者用参比光束的方法来减少光源输出的波动对测定所产生的影响。
光源有连续光源、线光源和激光光源等。
图1.3.2给出了光谱分析中常用的光源。
1.3.1.1 连续光源连续光源是指在很大的波长范围内主要发射强度平稳的具有连续光谱的光源。
1）紫外光源紫外连续光源主要采用氢灯和氘灯。
它们在低压下采用电激发的方式所产生的连续光谱范围为160～375nm。
在同样条件下，氘灯产生的光谱强度比氢灯大3～5倍，而且寿命也比氢灯长。
读出器件样品（a）读出器件（b）光源读出器件（c）图1.3.1 各类光谱仪部件（a）发射光谱仪（b）吸收光谱仪（c）荧光和散射光谱仪图1.3.2 不同波谱区所用的光源2）可见光源可见光源通常使用钨灯。
在大多数仪器中，使用的工作温度约为2870K，光谱波长范围为320～2500nm。
氙灯，光源的强度大，可使用光谱波长范围为200～700nm。
3）红外光源常用的红外光源是一种用电加热到温度在1500～2000K之间的惰性固体，所产生最大辐射强度的波长范围为6000～5000cm－1，如能斯特灯、碳硅棒。
(a)(b)1.3.1.2 线光源1）金属蒸汽灯常见的是汞和钠的蒸汽灯。
