光譜基本知識總結(jié)課件

1、中南民族大學(xué)儀器分析Instrumental Analysis光譜基本知識部分Basic knowledge related to spectroscopy中南民族大學(xué)儀器分析Instrumental Anal光分析的基本原理basic principles光分析是以光為媒介進行的一種儀器分析方法(light as media)光作為入射源(light as source)光作為收集信號(light as signal)光媒介和樣品發(fā)生了相互作用(interaction between light and sample)反映了物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)(physical and/or chemical

2、 properties observed)光分析的基本原理basic principles光分析是以光 light更廣義上，我們用電磁波 electromagnetic wave， 光照 light radiation, 電磁波輻射 electromagnetic radiation (ER)量子力學(xué)上：光具有波粒二象性 duality波：波長，波速，頻率，波數(shù)，能量粒子： 速度，動量，質(zhì)量，壓力等E = h = h c /= h cs光 light更廣義上，我們用電磁波 electromagn光譜基本知識總結(jié)課件光譜 spectrumX-rayFar UV紫外UV200-400 nm可見Vi

3、sible400-800 nm中紅外IR2.5-15mFar IRMWRFBond breakage化學(xué)鍵破裂Electron transition電子躍遷Vibrational Transition振動躍遷RotationalTransition轉(zhuǎn)動躍遷NuclearSpin核自轉(zhuǎn)ElectronSpin電子自轉(zhuǎn)核磁NMR1-5m波長Wavelength l頻率Frequency n or 能量energy E光譜 spectrumX-rayFar UV紫外UV可見Vi光和物質(zhì)的相互作用 Interaction物理作用(physical interaction)反射(reflection)折

4、射(refraction)散射(scattering)衍射(diffraction)干涉(interference)偏振(polarization)化學(xué)作用吸收和發(fā)射(absorption and emission)光和物質(zhì)的相互作用 Interaction物理作用(physInteraction根據(jù)量子理論，物質(zhì)受到光照射后能量發(fā)生改變：DE = Efinal - Einitial = hn = hc/l 如果能量的變化為正， DE0, 為吸收absorption如果能量的變化為負(fù)， DE0, 為發(fā)射emission如果能量變化為零，則為反射、折射等純粹物理現(xiàn)象只要能量發(fā)生了變化，這個變化對

5、該物質(zhì)而言是特征的characteristic.Interaction根據(jù)量子理論，物質(zhì)受到光照射后能量發(fā)生Interaction光的強度(intensity)光的強度變化反映了光和物質(zhì)之間相互作用的本質(zhì)nature(physical or chemical)光譜(spectroscopy)光的強度隨頻率或波長變化的曲線intensity vs. frequency or wavelength基態(tài)和激發(fā)態(tài)ground state and excited statesInteraction光的強度(intensity)光分析分類 classification根據(jù)光和樣品的相互作用來分非光譜法衍射

6、、散射、干涉和偏振等光譜法（涉及到能級躍遷energy level transition）原子光譜（線性光譜）atomic spectroscopy, line-shaped: 吸收、發(fā)射、熒光光譜等分子光譜（帶狀光譜）molecular spectroscopy, band-shaped：紅外、紫外、可見光、拉曼、熒光、磷光、核磁共振等光分析分類 classification根據(jù)光和樣品的相互作光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原子吸收光譜原子發(fā)射光譜原子熒光光譜X射線熒光光譜折射法圓二色性法X射線衍射法干涉法旋光法紫外光譜法紅外光譜法分子熒光光譜法分子磷光光譜法核磁

7、共振波譜法光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原光分析的進展(Development)采取新光源，提高靈敏度(new light source for higher sensitivity)聯(lián)用技術(shù)(hybrid techniques)新材料的應(yīng)用(application of new materials)交叉(multiple analysis one time)檢測器的發(fā)展(improving detector)光分析的進展(Development)采取新光源，提高靈敏原子光譜和分子光譜Atomic and Molecular Spectroscopy原子光譜和分子光

8、譜Atomic and Molecular 原子光譜(atomic spectroscopy)電子在不連續(xù)的能級上排列。這些不連續(xù)的能級跟原子本身是密切相關(guān)的，也即能級的水平是原子的一個特征。電子收到能量的激發(fā)可以在這些能級上發(fā)生躍遷。躍遷受到一定的規(guī)律的制約，就是選律。不連續(xù)的能級是的躍遷造成的光譜是不連續(xù)的:譜線。原子光譜(atomic spectroscopy)電子在不連分子光譜(molecular spectroscopy)分子光譜不是線狀，而是帶狀的。為什么？分子光譜(molecular spectroscopy)分子分子中能量的體現(xiàn)(energy)多原子分子單原子的能量=核能+電子

9、的動能多原子分子的能量等于各個原子能量的總和以及各個原子之間排列構(gòu)象的能量振動轉(zhuǎn)動振動和轉(zhuǎn)動的能級差別比電子躍遷的能量變化要小得多，對應(yīng)于紅外區(qū)的能量。振動能級差：0.025-1 eV,躍遷產(chǎn)生5nm間隔的譜線轉(zhuǎn)動能級差：0.005-0.025 eV，躍遷產(chǎn)生1nm間隔的譜線。分子中能量的體現(xiàn)(energy)多原子分子光分析儀器和器件Instruments and elements in Optical Analysis光分析儀器和器件Instruments and elemen光譜儀器(Instrument)光源鏡片單色器樣品臺檢測器放大器記錄儀光譜儀器(Instrument)光源鏡片單色器

10、樣品臺檢測器放光源(radiant source)穩(wěn)定的光源是必須的不同的光譜需要用到不同的光源連續(xù)光源單色光光源Stable source of radiant energyContinuum radiation source e.g., tungsten lamp, used in molecular absorption spectroscopyDiscrete spectroscopic lamps, e.g., lasers, used in AAS, fluorescence and Raman光源(radiant source)穩(wěn)定的光源是必須的Sta單色器(monochroma

11、tor)Entrance slitCollimatorDispersing elementFocusing elementExit slit單色器(monochromator)Entrance sli色散元件(dispersing element)Source: WikipediaInterference Filter干涉濾色片Prism: nonlinear dispersion棱鏡色散元件(dispersing element)Source光柵(gratings)diffractional gratings衍射光柵The grooves of a compact disc can act

12、as a grating and produce iridescent reflections.光柵(gratings)diffractional grat光譜基本知識總結(jié)課件色散元件的比較分光原理色散率與分辨率波段范圍集光使用范圍棱鏡折射低、與波長有關(guān)窄，已定弱一般、較老儀器光柵衍射高、與波長無關(guān)寬，可定強現(xiàn)代高級儀器色散元件的比較分光原理色散率與分辨率波段范圍集光使用范圍棱鏡檢測器(photo detector)光子檢測器光子在檢測器上產(chǎn)生電信號(Photon detected and converted into electrical signal)光電二極管，光電倍增器(Photoelectric transistor, photoelectric multiplier)熱檢測器(thermo detector)光被轉(zhuǎn)化為熱量而檢測(Photo detected and converted into heat, mostly used in IR