1、2020年7月1日，光學(xué)分析導(dǎo)論，光學(xué)分析導(dǎo)論，2020年7月1日，光學(xué)分析基礎(chǔ)第一部分，2020年7月1日，一、光學(xué)分析及其特點二。電磁輻射的基本特性。光學(xué)分析分類。光學(xué)分析簡介5 .光學(xué)分析的發(fā)展，2020年7月1日，1。光學(xué)分析及其特征，光學(xué)分析：一種基于電磁輻射能量與待測物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的輻射信號與該物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的分析方法；電磁輻射范圍：從射線到無線電波的所有范圍；相互作用模式：發(fā)射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等。光學(xué)分析在研究材料組成、結(jié)構(gòu)表征和表面分析中起著不可替代的作用。在2020年7月1日，有三個基本過程：(1)能量提供能量；(2)能量和被測物體之間的相互作

2、用；(3)產(chǎn)生信號?；咎卣鳎?1)所有光分析方法包括三個基本過程；(2)選擇性測量，不涉及混合物分離(不同于色譜分析)；(3)涉及大量光學(xué)元件。2020/7/1，二。電磁輻射的基本性質(zhì)，電磁輻射(電磁波):以接近光速(真空中光速)的速度傳播的能量；C=/ E=h=h c / c:光速；:波長；論點：頻率；:波數(shù)；e:能源；普朗克常數(shù)電磁輻射是波動的和微粒的；2020/7/1，輻射能的特性：(1)吸收器選擇性地吸收特定頻率的輻射能，并從低能級轉(zhuǎn)換到高能級；(2)發(fā)射以光的形式釋放吸收的能量；(3)散射廷德爾散射和分子散射；(4)折射是指光在兩種介質(zhì)中傳播速度的差異；(5)反射(6)干涉現(xiàn)象；(

3、7)繞射光在他身后繞物體彎曲傳播的現(xiàn)象；(8)偏振只在一個固定方向振動的光稱為平面偏振光。2020/7/1，2020/7/1，2020/7/1。第三，光學(xué)分析的分類，光譜方法是基于當(dāng)物質(zhì)與輻射能相互作用時，由分子的能級躍遷引起的發(fā)射、吸收或散射的波長或強度；原子光譜、分子光譜和非光譜原子光譜(線性光譜):基于原子外電子躍遷的三種最常見的原子吸收光譜；原子發(fā)射光譜、原子熒光光譜；基于原子內(nèi)電子躍遷的x射線熒光光譜法：穆斯堡爾譜基于原子核和射線的相互作用，2020年7月1日，分子譜(帶譜):基于分子中的電子能級和振動能級躍遷；紫外光譜學(xué)；紅外光譜；分子熒光光譜法；分子磷光光譜學(xué)；核磁共振和順磁共振

4、波譜(n)；非光譜方法：它不涉及能級躍遷，只在物質(zhì)與輻射相互作用時改變物理性質(zhì)，如傳播方向；偏振法、干涉法、旋光法等。2020/7/1，2020/7/1，2020/7/1，4。簡要介紹光學(xué)分析的各種光學(xué)分析方法，1。原子發(fā)射光譜法使用火焰、電弧、等離子炬等。作為光源，使氣態(tài)原子的外層電子被激發(fā)，發(fā)出特征光譜，用于定量分析。2.原子吸收光譜法(AAS)是一種定量分析方法，它利用特殊光源發(fā)出待測元素的共振線，將溶液中的離子轉(zhuǎn)化為氣態(tài)原子，然后測定氣態(tài)原子對共振線的吸收。2020/7/1，3。原子熒光分析，當(dāng)氣態(tài)原子吸收具有特征波長的輻射時，外層電子從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，10-8s后又躍遷回基

5、態(tài)或低能態(tài)，發(fā)射出具有相同或不同吸收波長的熒光輻射。用光源在90度測量熒光強度，用于定量分析。4.分子熒光分析某些物質(zhì)被紫外光激發(fā)后，在返回基態(tài)的過程中會發(fā)出比原來激發(fā)波長更長的熒光，通過測量熒光強度進行定量分析。2020/7/1，6。X射線熒光分析當(dāng)一個原子受到高能輻射時，其內(nèi)層電子經(jīng)歷能級躍遷并發(fā)射特征X射線(X射線熒光)，這可以通過測量其強度來定量分析。7.化學(xué)發(fā)光分析方法利用化學(xué)反應(yīng)提供能量，使待測分子受到激發(fā)，當(dāng)其回到基態(tài)時，發(fā)射出一定波長的光，并根據(jù)其強度與待測物體濃度的線性關(guān)系進行定量分析。5.分子磷光分析處于第一最低單重激發(fā)態(tài)的分子以無輻射弛豫方式進入第一三重激發(fā)態(tài)，然后躍遷回

6、到基態(tài)發(fā)射磷光。測量磷光強度的定量分析方法。2020/7/1，溶液中分子的紫外吸收和可見光吸收之間的躍遷所記錄的吸收光譜圖可用于分析化合物的結(jié)構(gòu)，并可根據(jù)最大吸收波長強度的變化進行定量分析。9.紅外吸收光譜分析是利用分子中的基團吸收紅外光產(chǎn)生的振動-旋轉(zhuǎn)吸收光譜，對有機化合物進行定量分析和結(jié)構(gòu)分析的方法。10.核磁共振譜分析在外磁場的作用下，核自旋磁矩和磁場相互作用，分裂成不同能量的核磁能級，吸收射頻輻射后發(fā)生能級躍遷。根據(jù)吸收光譜，可以進行有機化合物的結(jié)構(gòu)分析。8。紫外吸收光譜，2020年7月1日，11。順磁共振波譜在外部磁場的作用下，電子的自旋磁矩與磁場相互作用，分裂成不同磁量子數(shù)的磁能級

7、，吸收微波輻射后產(chǎn)生能級躍遷。根據(jù)吸收光譜，可以分析其結(jié)構(gòu)。旋光溶液的光學(xué)活性與分子的不對稱結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。用旋光法研究某些天然產(chǎn)物和配合物的立體化學(xué)，用旋光計測定糖含量是可能的。13.衍射x射線衍射：研究晶體結(jié)構(gòu)，不同的晶體有不同的衍射圖樣。電子衍射：電子衍射是透射電子顯微鏡的基礎(chǔ)，它研究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。，2020/7/1，5。光學(xué)分析的發(fā)展，1方法，1。使用新光源提高靈敏度級聯(lián)光源：電感耦合等離子體輝光放電；激光蒸發(fā)-微波等離子體2。電感耦合高頻等離子體質(zhì)譜激光質(zhì)譜：靈敏度為10-20 g 3。新材料采用光纖傳導(dǎo)，損耗??；抗干擾能力強；2020/7/1，4。交叉、電致發(fā)光分析；光纖電化學(xué)傳感

8、器5。探測器電荷耦合陣列探測器的研制具有寬光譜范圍、高量子效率、寬線性范圍、多通道同步數(shù)據(jù)采集和三維譜圖，將取代光電倍增管；發(fā)光二極管激光器代替空心陰極燈，使原子吸收可以同時測定多種元素；2020/7/1，三種光分析方法的測量過程示意圖，2020/7/1，第2節(jié)原子光譜和分子光譜，2020/7/1，1。原子光譜，2。分子光譜，2020/7/1，1。原子光譜，角量子數(shù)l；磁性量子數(shù)m；自旋量子數(shù)s；當(dāng)原子外層有許多電子時，總的角量子數(shù)L用于其運動狀態(tài)；總自旋量子數(shù)s；內(nèi)部量子數(shù)j的描述；2020/7/1，總角量子數(shù)，L= l外價電子的矢量和角量子數(shù)，(2 L 1) L=| l 1 l2 |，|

9、l 1 l2 -1|，| L 1 L2-1 |分別由s，p，d，f表示， L=0，1，2 L=2，1，0；S=0，1，2020/7/1，總自旋量子數(shù)：s=s；外層價電子自旋量子數(shù)的矢量和，(2 S 1) S=0，1，2，s or=0，1/2，3/2，S例：碳原子，基態(tài)電子殼層結(jié)構(gòu)(1s)2(2s) 2(2p) 2，兩個外層2p電子：S=0，1 3個不同的值；l和s之間有相互作用；它可以分裂產(chǎn)生(2 S 1)能級；這就是原子光譜產(chǎn)生光譜多線的原因，用m表示，稱為譜線多重性；2020/7/1，示例：鈉原子，一個外電子，s=1/2；因此：m=2(s)1=2；雙線；堿土金屬：當(dāng)兩個外層電子向同一個方向

10、旋轉(zhuǎn)時，S=1/2 1/2=1，M=3；三線；當(dāng)自旋方向相反時，s=1/2-1/2=0，M=1；單行；2020/7/1，內(nèi)部量子數(shù)：內(nèi)部量子數(shù)J取決于總角量子數(shù)L和總自旋量子數(shù)S的矢量和：如果l s，則J=(L S)，(L S-1)，(L S)；這些值總共為(2 S1)；如果l s；數(shù)值為(2L 1)；例如：如果L=2，S=1，那么J有三個值，J=3，2，1；L=0，S=1/2；那么j只有一個1/2的值；j值稱為譜分支項；在2020年7月1日，原子的能級通常用光譜項來表示：主量子數(shù)；m:譜線多重性的符號；l:總角量子數(shù)；j:內(nèi)部量子數(shù)，鈉原子的光譜項符號32s 1/2；鈉原子的電子處于能級態(tài)(

11、基態(tài)能級)，n=3，M=2(S=1/2)，L=0，J=1/2。2020/7/1，電子能級躍遷的選擇規(guī)則，一條譜線是由原子外電子的兩個能級之間的躍遷產(chǎn)生的，而兩個光譜項可以用來表示躍遷或躍遷譜線：例如，鈉原子的雙線Na 5889.9632S 1/232P 3/2；Na 5895.9332S 1/232P 1/2；2020/7/1，電子能級躍遷的選擇規(guī)則，根據(jù)量子力學(xué)原理，任何兩個能級之間都不能進行電子躍遷；我們必須遵循一定的“選擇規(guī)則”:(1)主量子數(shù)的變化 n是一個整數(shù)，包括零；(2)總角量子數(shù)的變化L=1；(3)內(nèi)部量子數(shù)的變化J=0 0，1；然而，當(dāng)J=0時，禁止 j=0的轉(zhuǎn)變。(4)總自

12、旋量子數(shù) s=0的變化，即不同重態(tài)之間的躍遷被禁止；2020/7/1，2。能級圖，元素的譜線通常用能級圖來表示。頂部是光譜術(shù)語符號；底部水平線代表基態(tài)；上面代表了激發(fā)態(tài)；可以生成的過渡由導(dǎo)線連接；譜線系統(tǒng)：當(dāng)各種高能級轉(zhuǎn)變?yōu)橥坏湍芗墪r發(fā)出的一系列譜線；2020/7/1，3。共振線，一個元素從基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)的躍遷最有可能發(fā)生，所需能量最低，產(chǎn)生的譜線也最強。這條譜線稱為共振線，也稱為元素的特征譜線；2020/7/1，第二，分子光譜，原子光譜是線性光譜，分子光譜是譜帶光譜；為什么分子光譜是帶狀的？原子光譜圖，分子光譜圖，2020年7月1日，1。分子中的能量，e=分子中原子的核能量：分子的平移能

13、量：電子的運動能量：原子間的相對振動能量：分子的轉(zhuǎn)動能量：分子間的內(nèi)部轉(zhuǎn)動能量：電子的一般化學(xué)反應(yīng)中，電子保持不變；Et和Ei較??；E=Ee Ev Er躍遷所吸收能量的輻射頻率：= ee/h ev/h er/h，2020/7/1，2。雙原子分子能級圖，分子中的價電子位于自旋對單線態(tài)基態(tài)S0分子的軌道上，當(dāng)電子被激發(fā)到高能級時，如果激發(fā)態(tài)與基態(tài)電子的自旋方向相反，則稱之為單線態(tài)激發(fā)態(tài)。相反，它被稱為三重激發(fā)態(tài)，由T1，T2表示。單線態(tài)分子具有抗磁性。三重態(tài)分子具有順磁性。躍遷引起單線態(tài)激發(fā)態(tài)的概率大，壽命長；2020/7/1，3。躍遷類型和分子光譜，分子光譜復(fù)雜，電子躍遷有振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷；分

14、子的紫外-可見吸收光譜是由純電子躍遷引起的，因此也稱為電子光譜，其光譜帶相對較寬；分子的紅外吸收光譜是由分子中基團的振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷引起的，因此也稱為振動轉(zhuǎn)動光譜；分子的熒光光譜是在紫外光或可見光的照射下，電子躍遷到單線態(tài)激發(fā)態(tài)，以無輻射弛豫的方式返回到第一單線態(tài)激發(fā)態(tài)的最低振動能級，然后跳回到基態(tài)或基態(tài)其他振動能級發(fā)出的光；分子的磷光是指處于第一最低單重激發(fā)態(tài)的分子以無輻射弛豫的方式返回到第一最低三重激發(fā)態(tài)，然后轉(zhuǎn)變回基態(tài)所發(fā)出的光；2020年7月1日，第4節(jié)光譜儀器和光學(xué)部件，光譜儀器和光學(xué)部件，2020年7月1日，1。光譜學(xué)的一般過程；2.光譜學(xué)的主要部分，2020年7月1日；1.光譜學(xué)的一般過程，通常包括五個基本單元：光源；單色儀；樣本；探測器；顯示和數(shù)據(jù)處理；2020年7月1日。2.光譜分析的主要部分，光學(xué)分析儀器的基本單元。1.根據(jù)不同的方法使用不同的光源：火焰、燈、激光、電火花、電弧等。根據(jù)光源的不同性質(zhì)，可分為：(1)連續(xù)光源：提供大范圍連續(xù)波長的光源，氫燈、氘燈、鎢燈等。線性光源：提供特定波長的光源、金屬蒸汽燈(汞燈、鈉蒸汽燈)、空心陰極燈、激光器等。2020/7/1，2。單色儀：