電磁輻射既具有波的性質(zhì)課件

1、 第三章 原子發(fā)射光譜法 3.1 預(yù)備知識(shí) 原子發(fā)射光譜法（atomic emission spectrometry,AES）是根據(jù)待測(cè)物質(zhì)的氣態(tài)原子被蒸發(fā)時(shí)所發(fā)射的特征線狀光譜的波長(zhǎng)及其強(qiáng)度來(lái)測(cè)定物質(zhì)的元素組成和含量的一種分析技術(shù)，一般簡(jiǎn)稱為發(fā)射光譜分析法。1.電磁輻射 電磁輻射是以巨大速度通過(guò)空間，不需要以任何物質(zhì)作為傳播媒介的一種能量。近代研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電磁輻射既具有波的性質(zhì)，也具有粒子的性質(zhì)，該二重性可以被波動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)。（1）電磁輻射的波動(dòng)性 根據(jù)經(jīng)典物理的觀點(diǎn)：電磁波是具有相同位相的兩個(gè)互相垂直的振動(dòng)矢量。一個(gè)是沿y軸方向變化的電場(chǎng)矢量E，一個(gè)是沿Z軸方向變化的磁場(chǎng)矢量H、

2、E和H都與電磁波的傳播方向垂直，如圖3-1所示。圖3-1因?yàn)檩椛涞耐干?，反射，折射和吸收等現(xiàn)象，都是由于電磁輻射的電場(chǎng)同物質(zhì)中電子相互作用的結(jié)果，因此一般情況下僅用電場(chǎng)矢量E表示輻射就可以了。在討論磁共振時(shí)，以磁矢量處理更為方便。描述電磁波的物理參數(shù)（波參數(shù)）為：a. 周期T：兩個(gè)相鄰矢量極大（或極 ?。┩ㄟ^(guò)空間固定點(diǎn)所需 的時(shí)間間隔叫做輻射的周 期。單位為秒（s）。b. 頻率:為空間某點(diǎn)的電場(chǎng)每秒鐘到達(dá)正極大值的次數(shù)，即每秒輻射振蕩的次數(shù)。 =1/T，單位為s-1或赫茲（1Hz即為1s-1）。c. 波長(zhǎng)：相鄰兩極大或極小值之間的距離。所用單位隨著不同的電磁波區(qū)而不同。常用的單位有（cm）納米

3、d. 波數(shù): 每厘米內(nèi)波的數(shù)目, 即單位距離中極大值的數(shù)目, 它等于以厘米為單位的真空中的波長(zhǎng)的倒數(shù). 單位為cm-1 e. 傳播速度v: 波在一秒鐘內(nèi)通過(guò)的距離, 由于波每秒有v次振動(dòng)，而每秒振動(dòng)通過(guò)的距離為, 所以v = v （3-1） 輻射的頻率只決定于輻射源,而與介質(zhì)無(wú)關(guān). 傳播速度v和波長(zhǎng)則與介質(zhì)有關(guān), 隨著輻射通過(guò)不同的介質(zhì)而不同, 從式(3-1)可知, 輻射通過(guò)介質(zhì)時(shí), 它的波長(zhǎng)與其傳播速度成正比,即 式中c和分別為輻射在真空中傳 播的速度和波長(zhǎng)，所有的電磁輻射 在真空中傳播的速度相同, 其數(shù)值為 2.9981010cms-1 (2) 電磁輻射的粒子性 電磁輻射的傳播以及反射、衍

4、射干涉等現(xiàn)象都可以用波動(dòng)性來(lái)解釋 電磁輻射的吸收和發(fā)射等同物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象，則不能用波的模型來(lái)解釋。這是必須將其看作是不連續(xù)的能量微粒，即光子或光量子，光子具有能量h，具有動(dòng)量h/c，每個(gè)光子的能量E（或）與相應(yīng)的頻率及波長(zhǎng)有如下關(guān)系: E()= h=hc/ =hc(3-3) 光子的動(dòng)量p與波長(zhǎng)的關(guān)系為: p = h /c = h/(3-4) 能量與動(dòng)量體現(xiàn)了電磁輻射具有粒 子性。從(3-4)式可以看出 普朗克公式把屬于粒子概念的光量子能量E同屬于波動(dòng)概念的輻射頻率或波長(zhǎng)聯(lián)系起來(lái)了，這就是電磁輻射波粒兩象性的統(tǒng)一。 （a）光量子能量E與波長(zhǎng)成反比 波長(zhǎng)長(zhǎng) 光量子能量E小 (頻率低) 波長(zhǎng)短

5、光量子能量E大 (頻率高) E1/ (b) 光量子的能量E與波數(shù)成正比， 因而可用cm-1為單位來(lái)表示能量 的高低 當(dāng)光子能量=1ev時(shí), 其波數(shù)為: (lev: 常用作高能量光電子的能量單位, 其定義為: 一個(gè)電子在真空中通過(guò)1V電壓降所獲得的能量)2. 電磁波譜: 定義: 電磁輻射按波長(zhǎng)順序排列, 稱為電磁波譜。 說(shuō)明: 詳細(xì)的電磁波譜區(qū), 包括名 稱、波長(zhǎng)范圍、能量大小、 相應(yīng)的能級(jí)躍遷類型及對(duì) 應(yīng)的光譜類型。 波譜的各種區(qū)域是依產(chǎn)生或觀測(cè)輻射的方法來(lái)劃分的，但波譜區(qū)的界限卻是按習(xí)慣人為規(guī)定的，并不是按有關(guān)物理現(xiàn)象明顯突變來(lái)確定的。因此，不同文獻(xiàn)所提供的波譜區(qū)界限往往有些出入，區(qū)域之間也

6、有重疊。圖3-2 x紫外區(qū)可見(jiàn)光區(qū)紅外區(qū)波譜區(qū) 高頻輻射區(qū)200nm400nm750nm光學(xué)光譜區(qū)分子、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷電子自旋核自旋能 級(jí)躍遷3. 光譜的分類 1) 本質(zhì)上分（根據(jù)電磁輻射的本質(zhì)）， 光譜方法可分為： a. 原子光譜 氣態(tài)原子 b. 分子光譜 氣態(tài)或液態(tài)分子 （原子和分子是產(chǎn)生光譜的基本粒子, 由于他們的結(jié)構(gòu)不同, 其光譜特性 也不同）2) 作用機(jī)理(根據(jù)輻射能量傳遞的方式)光譜方法有可分為: a. 發(fā)射光譜 b. 吸收光譜 c. 拉曼光譜(a) 光的散射: 用單色光照射透明的樣品時(shí)，大部分按原來(lái)的方向透射，而一小部分則按不同的角度散射開(kāi)來(lái)，該現(xiàn)象稱為光的散射（散射是光子與試樣分子相互作用的結(jié)果）(b) 瑞利散射: 如果在相互作用時(shí)(指光子與試樣分子間)，光子與分子之間沒(méi)有能量交換，則光子的動(dòng)能保持不變, 散射光的頻率2與入射光1相同(1=2)，僅光子的運(yùn)動(dòng)方向改變，這種散射叫瑞利散射。(c) 拉曼光譜：如果光子與試樣分子在相互作用時(shí)，光子與分