7 光谱分析概论（课件）- 《水分析化学》同步教学（水利水电版）

第七章 光谱分析概论 第七章 光谱分析概论 主要内容： 电磁波谱及光与物质的相互作用 光吸收定律 光的基本性质 光谱的产生及光谱分类 光谱分析基本原理 光谱分析法的分类 第七章 光谱分析概论 7.1 光的基本性质 E 光电效应 E：光子的能量（J, 焦耳） ν ：光子的频率（Hz, 赫兹） λ：光子的波长（nm） c：光速（2.9979X1010cm.s-1） 光的波粒二象性 波动性 粒子性 （普朗克方程） λν 光的折射 光的衍射 光的偏振 光的干涉 不同波长的光具有不同的能量，波长越短、频率越高的光子，能量越大。 第七章 光谱分析概论 7.2 电磁波谱及光与物质的相互作用 一、电磁波谱 1、电磁波谱的定义 将电磁波按照波长或频率的大小顺序排列起来称为电磁波谱。 2、电磁波的分区 电磁波的波长从10-3nm-1000m，根据波长大小将电磁波划分为若干个区域电磁波的波长从10-3nm-1000m，根据波长大小将电磁波划分为若干个区域。 表7.1 电磁波的分区 第七章 光谱分析概论 区域 波长 能级跃迁 区域 波长 能级跃迁 γ射线 10-3~0.1nm 原子核 近红外 0.8~2.5μm 外层（价）电子和分子振动 X射线 0.1~10nm 内层电子 中红外 2.5 ~25μm 分子振动和转动 远紫外 10~200nm 中层电子 远红外 25~100μm 分子振动和转动 紫外 200~400nm 外层（价）电子 微波 0.1~100cm 分子转动 可见光 400~800nm 外层（价）电子 无线电波 1-1000m 核磁共振 可见光区 第七章 光谱分析概论 人眼能看到的光波的波长为400~800nm，通常称为可见光区。 紫外光区 波长短于400nm的光波称为紫外光区。 200~400nm范围内的光波的称为近紫外光区，短于200nm的光波称为远紫外光区。 红外光区 波长长于800nm光波称为红外线，0.75~2.5μm范围内的光波称为极近红外光区，2.5~25μm范围内的光波称为近红外区，25~300μm范围内的光波称为远红外光区。 不同区域的电磁波对应于不同层次的能级跃迁，其能量不同，电磁波长不同，产生机理也不同。 第七章 光谱分析概论 γ射线来源于核能级跃迁。 X射线来源于内层电子能级的跃迁。 相应的光谱分析方法有：γ射线光谱，穆斯波尔光谱，X射线光谱，真空紫外与紫外光谱，紫外-可见光谱，近红外、中红外与远红外光谱，微波谱，核磁共振光谱等。 紫外与可见光主要来源于原子和分子外层电子能级的跃迁。 近红外、中红外与远红外来源于分子的振动能级和转动能级的跃迁。 微波和无线电波来源于分子的转动能级跃迁和电子自旋磁能级与核自旋磁能级的跃迁。 1、光的吸收、发射 第七章 光谱分析概论 二、光与物质的相互作用 当光与物质接触时，某些频率的光被选择性吸收并使其强度减弱，这种现象称为物质对光的吸收。 光被物质吸收的实质就是光的能量已转移到物质的分子或原子中去了，这样某些频率的光减少或者消失，而物质内部的能量增加了，即物质中的分子或原子由能量较低的状态上升为能量较高的状态。 根据吸收物质的状态，光的能量（频率或波长）以及吸收光谱的不同，可分为分子吸收和原子吸收。 第七章 光谱分析概论 受激物质（或受热能、电能、光能或其它外界能量所激发的物质）从高能态回到低能态，往往以光辐射的形式释放出多余的能量，这种现象称为光的发射。 按其发生的本质，可分为原子发射、分子发射以及X射线。 2、光的透射、散射和折射 光通过透明介质时，如果只是引起了微粒的价电子相对于原子核的振动，它所需要的光能，只是瞬时（10-14~10-15s）地被微粒所保留，当物质回到其原来的状态时，又毫无保留地将能量（光）重新发射出来，在这个过程中没有净能量的变化，因此光的频率也就没有变化，只是传播速度减慢了，这种现象称为光的透射。 第七章 光谱分析概论 光通过不均匀介质时，如果有一部分光沿着其它方向传播，这种现象称为光的散射。 当光从一种透明介质进入另一种透明介质时，光束的前进方向发生改变的现象，称为光的折射。折射是由于光在不同介质中的传播速度不同而引起的。 物质对光的折射率随着光的频率的变化而变化，这种现象称为“色散”。利用色散现象可以将波长范围很宽的复合光分散开来，成为许多波长范围狭小的“单色光”，这种作用称为“分光”。 散射是光通过介质时光子与介质分子之间发射碰撞，光子运动方向发生改变的现象。如果是弹性碰撞，没有能量交换，光频率不变，则称为瑞利（非拉曼）散射；如果是非弹性碰撞，有能量交换，光频率发生变化，则称拉曼散射。 3、光的干涉、衍射和偏振 第七章 光谱分析概论 当频率、振动（方向）、周相