構(gòu)建科學(xué)更加美好的明天 安捷倫與您一路同行 光譜的基礎(chǔ)理論

1、構(gòu)建科學(xué)更加美好的明天安捷倫與您一路同行光譜的基礎(chǔ)：理論安捷倫科技致力于為教育領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)，并愿意提供這里所包含的為公司所擁有之資料的訪問權(quán)限。本幻燈片集由安捷倫科技制作?；脽羝氖褂脙H限于教學(xué)目的。其中所包含的資料和信息被“原樣”接受，安捷倫對于資料不作任何形式的陳述或擔(dān)保，并且對于您對資料的使用或復(fù)制不承擔(dān)責(zé)任。由于您使用、復(fù)制或傳播這些資料所引起或相關(guān)之損失，安捷倫不承擔(dān)責(zé)任。您同意賠償并使安捷倫免于遭受由于您使用或復(fù)制這些資料所招致的任何索賠。前言 光譜學(xué)是研究物質(zhì)與電磁輻射之間相互作用的科學(xué)。歷史上 ，光譜學(xué)起源于可見光通過棱鏡依照其波長而產(chǎn)生的散射的研究。后來，這一概念極大地?cái)U(kuò)展

2、為輻射能由于其波長或頻率而產(chǎn)生的任何相互作用。光譜數(shù)據(jù)通常以譜圖形式表示，即目標(biāo)物質(zhì)響應(yīng)與波長或頻率之間的關(guān)系圖。Spectrum （拉丁文）：幽靈Skopos（希臘文）：觀察者光譜學(xué)家 = 幽靈觀察者目錄 歷史背景光譜學(xué)的早期歷史1666 年觀察到可見光譜1802 年發(fā)現(xiàn) Fraunhofer 吸收線Kirchhoff 與 Bunsen 的發(fā)射實(shí)驗(yàn)Kirchhoff 與 Bunsen 的吸收實(shí)驗(yàn)定義光譜學(xué)與光譜儀電磁光譜光主要參數(shù)波長與頻率吸收與發(fā)射吸收的光與能級原子光譜特性吸光度與透光率吸光度：與濃度的關(guān)系比爾-布格-朗伯定律歷史背景光學(xué)光譜早期歷史 ToCAbney 與Festing 獲

3、得了 50 多種化合物的紅外吸收光譜1882Anders J. Angstrom 對約 1000 條 Fraunhofer 線的波長進(jìn)行了測量1868Gustav Kirchhoff 與 Robert Bunsen 觀察到加熱至白熾熱狀態(tài)的元素發(fā)出的不同顏色1859August Beer 確定了光吸收量與濃度之間的關(guān)系1853Joseph von Fraunhofer 利用分光鏡對這些暗線進(jìn)行了研究1812William Hyde Wollaston 鑒別出了太陽光譜中的暗線1802Isaac Newton 爵士發(fā)現(xiàn)了太陽光譜1666Isaac Newton 爵士的實(shí)驗(yàn) 歷史背景1666 年觀

4、察到可見光譜Isaac Newton 爵士，1642-1726英國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家來源：維基百科 ToC歷史背景1802 年發(fā)現(xiàn) Fraunhofer 吸收線Wollaston 和 Fraunhofer 獨(dú)自開展研究工作，發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的暗線。Fraunhofer 引入衍射光柵以得到更好的光譜分辨率。Fraunhofer 提出了暗線是由太陽本身的大氣層吸收光而形成的。 ToC圖片 1：Joseph von Fraunhofer，1787-1826，德國光學(xué)家來源：維基百科 圖片 2：William Hyde Wollaston，1766-1828，英國化學(xué)家 來源：維基百科詳情請參考注釋歷史

5、背景Kirchhoff 與 Bunsen 的發(fā)射實(shí)驗(yàn)Kirchhoff 和 Bunsen 觀察到加熱至白熾熱狀態(tài)的元素發(fā)出的不同顏色 ToCRobert Bunsen (1811-1899) 德國化學(xué)家來源：維基百科Gustav Robert Kirchhoff (1825-1887) 德國物理學(xué)家來源：維基百科歷史背景Kirchhoff 與 Bunsen 的吸收實(shí)驗(yàn)Kirchhoff 和 Bunsen 使一束光通過加熱的金屬鹽并獲得了 Fraunhofer 吸收線 ToC定義光譜學(xué)測量樣品與電磁光譜的不同區(qū)域、不同波長的光之間的相互作用。 根據(jù)波長對這類信號測量后產(chǎn)生光譜圖，從而衍生出“光譜

6、”一詞。 光譜儀利用色散元件產(chǎn)生的光，在光譜區(qū)域進(jìn)行相對測量的儀器。lI0I光檢測器光源單色器樣品 ToC定義電磁光譜電磁光譜涵蓋了多個(gè)數(shù)量級的頻率和波長。各個(gè)區(qū)域的命名完全是歷史沿襲各個(gè)區(qū)域之間無中斷或根本改變可見光僅僅代表電磁光譜中的一小部分電磁光譜 ToC定義光可采用以下兩種方式對光進(jìn)行描述：波動(dòng)性通常采用波長和頻率等術(shù)語 粒子性表現(xiàn)為光子這一能量形式 這些術(shù)語適用于整個(gè)電磁光譜，而不局限于通常所說的“光”（可見光、紫外光與紅外光）。 光由振蕩電場 (E) 和磁場 (M) 組成，其本質(zhì)具有波動(dòng)性。這兩種場相互垂直，在給定介質(zhì)中以勻速傳播。真空中這一速率為 3108 m s-1。 ToC主

7、要參數(shù)波長與頻率電磁輻射的能量定義如下：頻率與波長的關(guān)系可表示為： ToCE能量 (J)h普朗克常數(shù) (6.62 10-34 J s)頻率 (s-1)c光速 (3108 m s-1)波長 (m)注釋：在光譜學(xué)中，波長通常以微米、納米或波數(shù)（1/；表示為厘米的倒數(shù)）表示。主要參數(shù)吸收與發(fā)射 ToC電磁輻射與物質(zhì)之間的相互作用大致可分為：吸收過程：電磁輻射被樣品吸收，使到達(dá)檢測器的輻射能量減小發(fā)射過程：樣品發(fā)出電磁輻射，使到達(dá)檢測器的輻射能量增大主要參數(shù)吸收與發(fā)射吸收和發(fā)射過程涉及不同能級或狀態(tài)之間的躍遷。 產(chǎn)生躍遷的條件為，入射光子的能量必須等于兩種狀態(tài)之間的能量差。如果滿足這一條件，則能量可被

8、物質(zhì)吸收并躍遷至激發(fā)態(tài)。 下列能量的改變會(huì)引起躍遷： 電子能 振動(dòng)能轉(zhuǎn)動(dòng)能原子核能級和原子核自旋狀態(tài)的變化可分別在極高能量（ 射線）和極低能量（微波與無線電波）下觀察到。 ToCE電子 E振動(dòng) E轉(zhuǎn)動(dòng) ToC主要參數(shù)吸收與發(fā)射圖中展示了甲醛的電子躍遷，以及引起躍遷的光的波長。這些躍遷可在吸收物質(zhì)能級差異極其顯著的波長下生成極窄的吸收帶。甲醛的電子躍遷 ToC主要參數(shù)吸收與發(fā)射通過此圖可以看出電子能級中附加的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級。由于不同能量產(chǎn)生多種躍遷，因此譜帶會(huì)變寬。 在溶液中，由于溶劑-溶質(zhì)的相互作用，譜帶展寬更為顯著。分子中的電子躍遷與紫外-可見光譜 ToC主要參數(shù)吸收與發(fā)射圖中展示了原子中的

9、電子躍遷。 這些躍遷可在吸收物質(zhì)能級差異極其顯著的波長下生成極窄的吸收帶。原子吸收/發(fā)射的能量均會(huì)形成獨(dú)特的波長。原子的電子躍遷與光譜 ToC主要參數(shù)吸收與發(fā)射原子可吸收不連續(xù)的能量：熱能不連續(xù)波長的光能下列情況電子可改變能級：改變能級所需的能量 = 吸收的光能原子被“激發(fā)”電子躍遷到更高能級：E1、E2、.、En鉛 (Pb) 的能級圖主要參數(shù)吸收的光與能級光的波長 () 與能級之間的差值成反比：每次躍遷的能級之差和能量不同，因此波長也不同。原子也會(huì)產(chǎn)生發(fā)射譜線。激發(fā)態(tài)原子回到基態(tài)時(shí)以發(fā)射光的形式釋放能量。能量與吸收過程相同波長與吸收過程相同（能級之差更大，則波長更短） ToC主要參數(shù)原子光譜

10、的特征峰尖銳（相比于紫外-可見光的寬峰）源自基態(tài)的譜線最為顯著共振譜線：譜線強(qiáng)度最大主要存在于原子吸收中可以從一種激發(fā)態(tài)到另一種激發(fā)態(tài)的過程中產(chǎn)生 非共振譜線：譜線強(qiáng)度較小通常不適用于原子吸收 ToC當(dāng)輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)，將發(fā)生一系列過程：吸收 反射散射熒光/磷光光化學(xué)反應(yīng)主要參數(shù)吸光度與透光率（吸光度） ToC（透光率)當(dāng)光通過樣品或被樣品反射時(shí)，被吸收的光的量等于透射輻射 (I) 與入射輻射 (I0) 的比值。 主要參數(shù)吸光度/濃度的關(guān)系朗伯定律透明介質(zhì)對光的吸收量與入射光強(qiáng)度無關(guān)每個(gè)連續(xù)的厚度單位的介質(zhì)對透過光的吸收量相同比爾定律光吸收量與樣品中的吸收物質(zhì)數(shù)量成正比 ToC根據(jù)比爾-布

11、格-朗伯定律，吸光度與濃度之間的關(guān)系： ToC紫外-可見光譜比爾-布格-朗伯定律 消光系數(shù)或摩爾吸收系數(shù) (L mol-1 cm-1)b 光程 (cm)c 濃度來源：紫外-可見分光光度法的原理詳情請參考注釋吸收來自光與樣品之間的相互作用和/或反射和散射造成的損失。校準(zhǔn)曲線示例。通過測量 A 隨 c 的變化來進(jìn)行校準(zhǔn)。了解更多信息如需了解安捷倫產(chǎn)品的更多信息，請?jiān)L問 或 /chem/academia對此幻燈片演示有問題或建議？ 請聯(lián)系 academia.team 出版物標(biāo)題出版號基礎(chǔ)導(dǎo)論合同環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中的原子光譜應(yīng)用5991-5326EN基礎(chǔ)導(dǎo)論紫外-可見分光光度法的原理5980-1397EN產(chǎn)品樣本原子光譜系列產(chǎn)品樣本5990-6443CHCN網(wǎng)頁CHROMacademy 學(xué)生和大學(xué)教職工可免費(fèi)訪問在線課程視頻/chem/teachingresources 圖片/chem/teachingresources ToC謝謝 ToC出版號 5991-6594CHCN縮寫縮寫定義A吸光度AAS原子吸收光譜 AES原子發(fā)射光譜 b光程 (cm)c光速 (3 1