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关于光谱分析法导论第1页，讲稿共71张，创作于星期日12-1 2-1 电磁辐射的基本特征电磁辐射的基本特征 1 什么叫什么叫电磁波？电磁波？一种以巨大速度通过空间，不需要以任何物质作为传播媒一种以巨大速度通过空间，不需要以任何物质作为传播媒介的能量形式，称为介的能量形式，称为电磁波电磁波。在整个电磁辐射范围内，按波长或频率的大小顺序排列起在整个电磁辐射范围内，按波长或频率的大小顺序排列起来，即为来，即为电磁波谱电磁波谱 电磁波的二重性：波动性和粒子性电磁波的二重性：波动性和粒子性 第第2章章 光光学学分分析析法法导导论论第2页，讲稿共71张，创作于星期日22 波动性可用下面的波参数来描述波动性可用下面的波参数来描述 周期周期T （s）频率频率 （s-1=Hz）=1/T 波长波长 厘米厘米 微米微米 纳米纳米 埃埃 cm m nm 10-2 m 10-6 m 10-9 m 10-10m 波数波数 （cm-1）称为开瑟称为开瑟(Kayser,K表示表示)=1/传播速率传播速率第第12章章 光学分析法导论光学分析法导论 12-1 电磁辐射的基本特征电磁辐射的基本特征 第3页，讲稿共71张，创作于星期日3第第2章章 光学分析法导论光学分析法导论 3 粒子性及普朗克关系式粒子性及普朗克关系式 粒子性粒子性 不连续的能量微粒不连续的能量微粒光子（光量子）光子（光量子）能量能量 1 eV=1.602189210-19 J 或或 1J=6.2411018eV 普朗克普朗克(Prank)关系式关系式 波动性波动性粒子性之间的粒子性之间的“桥桥”E=h =hc/普朗克常数普朗克常数 (6.62559 0.00015)10-34焦耳焦耳 秒秒(J s)第4页，讲稿共71张，创作于星期日4核跃迁磁场中自旋取向分子转动分子振动共价电子跃迁内层电子跃迁-射线射线X 射线射线紫外紫外可可见见光光近近红红外外中红中红外外远红外远红外顺磁共振顺磁共振核核磁磁共共振振红外波段微波波段射频波段108107106105104103102101110-110-210-310-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11 101波数波数(cm-1)波长波长(m)200 nm 800 nm第第第第2 2章章章章 光学分析法导论光学分析法导论光学分析法导论光学分析法导论 4 4 电磁波谱及分析方法电磁波谱及分析方法电磁波谱及分析方法电磁波谱及分析方法电磁波谱区域电磁波谱区域近近紫紫外外第5页，讲稿共71张，创作于星期日5 光谱分析法是光谱分析法是基于检测能量基于检测能量（电磁辐射）（电磁辐射）作用于待测物质后产生的辐射信号或所引作用于待测物质后产生的辐射信号或所引起的变化的分析方法。起的变化的分析方法。这些电磁辐射包括从这些电磁辐射包括从 射线到无线电波射线到无线电波的所有电磁波谱范围。电磁辐射与物质相互的所有电磁波谱范围。电磁辐射与物质相互作用的方式有发射、吸收、反射、折射、散作用的方式有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。射、干涉、衍射、偏振等。第二节光学分析法分类第6页，讲稿共71张，创作于星期日6 光谱分析法可分为光谱分析法可分为光谱法光谱法和和非光非光谱法谱法两大类。两大类。光谱法是基于物质与辐射能作用光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由时，测量由物质内部发生量子化的能物质内部发生量子化的能级之间的跃迁级之间的跃迁而产生的发射、吸收或而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。散射辐射的波长和强度进行分析的方法。第7页，讲稿共71张，创作于星期日7 光谱法可分为光谱法可分为原子光谱法原子光谱法和和分子光谱分子光谱法法。原子光谱法是由原子光谱法是由原子外层或内层电子原子外层或内层电子能级的变化产生的，它的表现形式为能级的变化产生的，它的表现形式为线线光谱光谱。属于这类分析方法的有属于这类分析方法的有原子发射光谱原子发射光谱法（法（AESAES）、）、原子吸收光谱法（原子吸收光谱法（AASAAS），），原子荧光光谱法（原子荧光光谱法（AFSAFS）以及以及X X射线荧光光射线荧光光谱法（谱法（XFSXFS）等。等。第8页，讲稿共71张，创作于星期日8 分子光谱法是由分子光谱法是由 分子中电子能级、分子中电子能级、振动和转动能级振动和转动能级 的变化产生的，表现的变化产生的，表现形式为形式为带光谱带光谱。属于这类分析方法的有紫外属于这类分析方法的有紫外-可见分可见分光光度法（光光度法（UV-VisUV-Vis），），红外光谱法红外光谱法（IRIR），），分子荧光光谱法（分子荧光光谱法（MFSMFS）和分子和分子磷光光谱法（磷光光谱法（MPSMPS）等。等。第9页，讲稿共71张，创作于星期日9 非光谱法非光谱法是基于物质与辐射相互作用时，是基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的某些性质，如折射、散射、干测量辐射的某些性质，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等变化的分析方法。涉、衍射、偏振等变化的分析方法。非光谱法不涉及物质内部能级的跃迁，非光谱法不涉及物质内部能级的跃迁，电磁辐射只改变了传播方向、速度或某些物电磁辐射只改变了传播方向、速度或某些物理性质。理性质。属于这类分析方法的有折射法、偏振法、属于这类分析方法的有折射法、偏振法、光散射法、干涉法、衍射法、旋光法和圆二光散射法、干涉法、衍射法、旋光法和圆二向色性法等。向色性法等。第10页，讲稿共71张，创作于星期日10 本章主要介绍光谱法。如果本章主要介绍光谱法。如果按照电磁辐射和物质相互作用的按照电磁辐射和物质相互作用的结果，可以产生发射、吸收和散结果，可以产生发射、吸收和散射三种类型的光谱。射三种类型的光谱。第11页，讲稿共71张，创作于星期日11一、发射光谱法一、发射光谱法 物质通过物质通过电致激发、热致激发或光电致激发、热致激发或光致激发致激发等激发过程获得能量，变为激发等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子态原子或分子M*M*，当从激发态过渡到低，当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。能态或基态时产生发射光谱。M*M*M+M+hvhv 第12页，讲稿共71张，创作于星期日12 根据发射光谱所在的光谱区和激发方法不同，根据发射光谱所在的光谱区和激发方法不同，发射光谱法分为：发射光谱法分为：1.1.射线光谱法射线光谱法 天然或人工放射性物质的天然或人工放射性物质的原子核在衰变原子核在衰变的的过程中发射过程中发射 和和 粒子后，往往使自身的核激发，粒子后，往往使自身的核激发，然后该核通过发射然后该核通过发射 射线回到基态。测量这种射线回到基态。测量这种特征特征 射线的能量（或波长），可以进行定性射线的能量（或波长），可以进行定性分析，测量分析，测量 射线的强度，可以进行定量分析。射线的强度，可以进行定量分析。第13页，讲稿共71张，创作于星期日13v2.2.X X射线荧光分析法射线荧光分析法 原子受高能辐射激发，其原子受高能辐射激发，其内层电子能级内层电子能级跃迁跃迁，即发射出特征，即发射出特征X X射线，称为射线，称为X X射线荧光。射线荧光。用用X X射线管发生的一次射线管发生的一次X X射线来激发射线来激发X X射线荧射线荧光是最常用的方法。测量光是最常用的方法。测量X X射线的能量（或波射线的能量（或波长）可以进行定性分析，测量其强度可以进行长）可以进行定性分析，测量其强度可以进行定量分析。定量分析。第14页，讲稿共71张，创作于星期日14v3.3.原子发射光谱分析法原子发射光谱分析法 用火焰、电弧、等离子炬等作为激用火焰、电弧、等离子炬等作为激发源，使气态原子或离子的发源，使气态原子或离子的外层电子外层电子 受受激发发射特征光学光谱，利用这种光谱激发发射特征光学光谱，利用这种光谱进行分析的方法叫做原子发射光谱分析进行分析的方法叫做原子发射光谱分析法。波长范围在法。波长范围在190-900190-900nmnm，可用于定可用于定性和定量分析。性和定量分析。第15页，讲稿共71张，创作于星期日15v4.4.原子荧光分析法原子荧光分析法 气态自由原子吸收特征波长的辐射后，气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子原子的外层电子的外层电子从基态或低能态跃迁到较高能态，约经从基态或低能态跃迁到较高能态，约经1010-8-8 s s，又跃迁至基态或低能态，同时发射出与又跃迁至基态或低能态，同时发射出与原激发波长相同原激发波长相同（共振荧光）（共振荧光）或不同的辐射或不同的辐射（非共振荧光）（非共振荧光），称为原子荧光。，称为原子荧光。F发射的波长在紫外和可见光区。在与激发光源成一发射的波长在紫外和可见光区。在与激发光源成一定角度（通常为定角度（通常为9090）的方向测量荧光的强度，）的方向测量荧光的强度，可以进行定量分析。可以进行定量分析。第16页，讲稿共71张，创作于星期日16v5.5.分子荧光分析法分子荧光分析法 某些物质被紫外光照射后，某些物质被紫外光照射后，物质分子物质分子吸收了辐射而成为激发态分子，然后回到吸收了辐射而成为激发态分子，然后回到基态的过程中发射出比入射波长更长的荧基态的过程中发射出比入射波长更长的荧光。测量荧光的强度进行分析的方法称为光。测量荧光的强度进行分析的方法称为荧光分析法。波长在光学光谱区。荧光分析法。波长在光学光谱区。第17页，讲稿共71张，创作于星期日17v6.6.分子磷光分析法分子磷光分析法 物质吸收光能后，基态分子中的一个电物质吸收光能后，基态分子中的一个电子被激发跃迁至第一激发单重态轨道，由第子被激发跃迁至第一激发单重态轨道，由第一激发单重态的最低能级，经系统间交叉跃一激发单重态的最低能级，经系统间交叉跃迁至迁至第一激发三重态（系间窜跃），并经过第一激发三重态（系间窜跃），并经过振动弛豫至最低振动能级，振动弛豫至最低振动能级，因此，由此激发因此，由此激发态跃迁回至基态时，便发射磷光。态跃迁回至基态时，便发射磷光。F 根据磷光强度进行分析的方法成为磷光根据磷光强度进行分析的方法成为磷光分析法。它主要用于环境分析、药物研究等分析法。它主要用于环境分析、药物研究等方面的有机化合物的测定。方面的有机化合物的测定。第18页，讲稿共71张，创作于星期日18v7.7.化学发光分析法化学发光分析法 由由化学反应化学反应 提供足够的能量，使其中一提供足够的能量，使其中一种反应的分子的电子被激发，形成激发态分子。种反应的分子的电子被激发，形成激发态分子。激发态分子跃回基态时，就发出一定波长的光。激发态分子跃回基态时，就发出一定波长的光。其发光强度随时间变化，并可得到较强的发光其发光强度随时间变化，并可得到较强的发光（峰值）。（峰值）。F 在合适的条件下，峰值与被分析物浓度成在合适的条件下，峰值与被分析物浓度成线性关系，可用于定量分析。线性关系，可用于定量分析。由于化学发光反应类型不同，发射光谱范由于化学发光反应类型不同，发射光谱范围为围为400-1400400-1400nmnm。第19页，讲稿共71张，创作于星期日19二、吸收光谱法二、吸收光谱法 当物质所吸收的电磁辐射能与该物质当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能级间跃的原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足迁所需的能量满足E=E=hvhv的关系时，的关系时，将产生吸收光谱。将产生吸收光谱。M+M+hv hv M*M*吸收光谱法可分为：吸收光谱法可分为：第20页，讲稿共71张，创作于星期日20v1.1.MssbauerMssbauer（莫斯鲍尔）谱法莫斯鲍尔）谱法 由与被测元素相同的同位素作为由与被测元素相同的同位素作为 射线射线的发射源，使吸收体（样品）原子核产生的发射源，使吸收体（样品）原子核产生 无反冲的无反冲的 射线共振吸收射线共振吸收 所形成的光谱。所形成的光谱。光谱波长在光谱波长在 射线区。射线区。从从MssbauerMssbauer谱可获得原子的氧化态和谱可获得原子的氧化态和化学键、原子核周围电子云分布或邻近环境化学键、原子核周围电子云分布或邻近环境电荷分布的不对称性以及原子核处的有效磁电荷分布的不对称性以及原子核处的有效磁场等信息。场等信息。第21页，讲稿共71张，创作于星期日21v2.2.紫外紫外-可见分光光度法可见分光光度法 利用溶液中的分子或基团在紫外和利用溶液中的分子或基团在紫外和可见光区产生可见光区产生分子外层电子分子外层电子能级跃迁所能级跃迁所形成的吸收光谱，可用于定性和定量测形成的吸收光谱，可用于定性和定量测定。定。第22页，讲稿共71张，创作于星期日22v3.3.原子吸收光谱法原子吸收光谱法 利用待测元素利用待测元素气态原子气态原子对共振线的吸收进对共振线的吸收进行定量测定的方法。其吸收机理是原子的外行定量测定的方法。其吸收机理是原子的外层电子能级跃迁，波长在紫外、可见和近红层电子能级跃迁，波长在紫外、可见和近红外区。外区。v4.4.红外光谱法红外光谱法 利用分子在红外区的振动利用分子在红外区的振动-转动吸收光转动吸收光谱来测定物质的成分和结构。谱来测定物质的成分和结构。第23页，讲稿共71张，创作于星期日235.5.核磁共振波谱法核磁共振波谱法 在强磁场作用下，在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁核自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级场相互作用分裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波。电磁波。利用这种吸收光谱可进行有机化合物利用这种吸收光谱可进行有机化合物结构的鉴定，以及分子的动态效应、氢键结构的鉴定，以及分子的动态效应、氢键的形成、互变异构反应等化学研究。的形成、互变异构反应等化学研究。第24页，讲稿共71张，创作于星期日24三、三、RamanRaman散射散射 频率为频率为 0 0的单色光照射到透明物质上，物的单色光照射到透明物质上，物质分子会发生散射现象。如果这种散射是光子质分子会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换的，即不仅光子的运与物质分子发生能量交换的，即不仅光子的运动方向发生变化，它的能量也发生变化，则称动方向发生变化，它的能量也发生变化，则称为为RamanRaman散射。散射。这种散射光的频率（这种散射光的频率（mm）与入射光的频与入射光的频率不同，称为率不同，称为RamanRaman位移。位移。RamanRaman位移的大小与位移的大小与分子的振动和转动的能级有关分子的振动和转动的能级有关，利用，利用RamanRaman位位移研究物质结构的方法称为移研究物质结构的方法称为RamanRaman光谱法。光谱法。第25页，讲稿共71张，创作于星期日25 第三节第三节 光谱法仪器光谱法仪器 用来研究吸收、发射或荧光的电磁辐射用来研究吸收、发射或荧光的电磁辐射的强度和波长的关系的仪器叫做光谱仪或的强度和波长的关系的仪器叫做光谱仪或分光光度计。这一类仪器一般包括五个基分光光度计。这一类仪器一般包括五个基本单元：本单元：光源、单色器、样品容器、检测光源、单色器、样品容器、检测器和读出器件。器和读出器件。发射光谱仪发射光谱仪光源光源样品样品单色器单色器检测器检测器读出器件读出器件第26页，讲稿共71张，创作于星期日26 光源的作用是提供足够的能量使试样光源的作用是提供足够的能量使试样蒸发、原子化、激发，产生光谱。蒸发、原子化、激发，产生光谱。第27页，讲稿共71张，创作于星期日27ab吸收光谱仪吸收光谱仪光源光源单色器单色器样品样品检测器检测器读出器件读出器件原子化器原子化器单色器单色器光电倍增管光电倍增管样品样品空心阴极灯空心阴极灯读出器件读出器件第28页，讲稿共71张，创作于星期日28 由光源发射的待测元素的锐线光由光源发射的待测元素的锐线光束（共振线），通过原子化器，被原束（共振线），通过原子化器，被原子化器中的基态原子吸收，再射入单子化器中的基态原子吸收，再射入单色器中进行分光后，被检测器接收，色器中进行分光后，被检测器接收，即可测得其吸收信号。即可测得其吸收信号。第29页，讲稿共71张，创作于星期日29荧光光谱仪荧光光谱仪光源光源第一单色器第一单色器样品样品第二单色器第二单色器检测器检测器记录放大系统记录放大系统第30页，讲稿共71张，创作于星期日30 由光源发出的光，经过第一单色器（激发光单由光源发出的光，经过第一单色器（激发光单色器）后，得到所需的激发光。通过样品池，由于色器）后，得到所需的激发光。通过样品池，由于一部分光线被荧光物质所吸收，荧光物质被激发后，一部分光线被荧光物质所吸收，荧光物质被激发后，将向四面八方发射荧光。将向四面八方发射荧光。为了消除入射光和散射光的影响，为了消除入射光和散射光的影响，荧光的测荧光的测量应在与激发光成直角方向进行量应在与激发光成直角方向进行，第二单色器为荧，第二单色器为荧光单色器，主要是消除溶液中可能共存的其它光线光单色器，主要是消除溶液中可能共存的其它光线的干扰，以获得所需的荧光，荧光作用于检测器上，的干扰，以获得所需的荧光，荧光作用于检测器上，得到相应的电信号。得到相应的电信号。第31页，讲稿共71张，创作于星期日31一、光源一、光源 光谱分析中，光谱分析中，光源必须具有足够的光源必须具有足够的输出功率和稳定性。输出功率和稳定性。由于光源辐射功率由于光源辐射功率的波动与电源功率的变化成指数关系，的波动与电源功率的变化成指数关系，因此往往需用稳压电源以保证稳定，或因此往往需用稳压电源以保证稳定，或者用参比光束的方法来减少光源输出对者用参比光束的方法来减少光源输出对测定所产生的影响。测定所产生的影响。光源有连续光源和线光源等。光源有连续光源和线光源等。第32页，讲稿共71张，创作于星期日32 一般连续光源主要用于分子吸收光一般连续光源主要用于分子吸收光谱法；线光源用于荧光、原子吸收和谱法；线光源用于荧光、原子吸收和RamanRaman光谱法。光谱法。1.1.连续光源连续光源 连续光源是指在很大的波长范围内连续光源是指在很大的波长范围内能发射强度平稳的具有连续光谱的光源。能发射强度平稳的具有连续光谱的光源。第33页，讲稿共71张，创作于星期日33（1 1）紫外光源）紫外光源 紫外连续光源主要采用氢灯或氘灯。紫外连续光源主要采用氢灯或氘灯。它们在低压它们在低压（1.31.3 10103 3PaPa）下以电激发的方式产生的连续光谱范围下以电激发的方式产生的连续光谱范围为为160-375 nm。高压氢灯以高压氢灯以2000-60002000-6000V V的高压使两个铝电极之间发的高压使两个铝电极之间发生放电。生放电。低压氢灯是在有氧化物涂层的灯丝和金属电极间形成电低压氢灯是在有氧化物涂层的灯丝和金属电极间形成电弧，启动电压约为弧，启动电压约为400400V V直流电压，而维持直流电弧的电压为直流电压，而维持直流电弧的电压为4040V V。氘灯的工作方式与氢灯相同，光谱强度比氢氘灯的工作方式与氢灯相同，光谱强度比氢灯大灯大3-53-5倍，寿命也比氢灯长。倍，寿命也比氢灯长。第34页，讲稿共71张，创作于星期日34（2 2）可见光源）可见光源 可见光区最常见的光源是可见光区最常见的光源是钨丝灯钨丝灯。在。在大多数仪器中，钨丝的工作温度约为大多数仪器中，钨丝的工作温度约为28702870K K，光谱波长范围为光谱波长范围为340-2500nm。氙灯也可用作可见光源，当电流通氙灯也可用作可见光源，当电流通过氙灯时可以产生强辐射，它发射的连过氙灯时可以产生强辐射，它发射的连续光谱分布在续光谱分布在250-700nm。第35页，讲稿共71张，创作于星期日35（3 3）红外光源红外光源 常用的红外光源是一种用电加热到温度常用的红外光源是一种用电加热到温度在在1500-20001500-2000K K之间的惰性固体，之间的惰性固体，光强最大的区域在光强最大的区域在6000-50006000-5000cmcm-1-1。常。常用的有用的有奈斯特灯、硅碳棒奈斯特灯、硅碳棒。第36页，讲稿共71张，创作于星期日362.2.线光源线光源（1 1）金属蒸气灯）金属蒸气灯 在透明封套内含有低压气体元素，常见的在透明封套内含有低压气体元素，常见的是是汞灯和钠蒸气灯汞灯和钠蒸气灯。把电压加到固定在封套上的一对电极上时把电压加到固定在封套上的一对电极上时，就会激发出元素的特征线光谱。，就会激发出元素的特征线光谱。汞灯产生的汞灯产生的线光谱的波长范围为线光谱的波长范围为254-734254-734nmnm，钠灯主要钠灯主要是是589.0589.0nmnm和和589.6589.6nmnm处的一对谱线。处的一对谱线。第37页，讲稿共71张，创作于星期日37（2 2）空极阴极灯）空极阴极灯 主要用于原子吸收光谱中，能提供许多主要用于原子吸收光谱中，能提供许多元素的特征光谱。元素的特征光谱。（3 3）激光）激光 激光的强度非常高，方向性和单色性好，激光的强度非常高，方向性和单色性好，它作为一种新型光源在它作为一种新型光源在RamanRaman光谱、荧光光光谱、荧光光谱、发射光谱、谱、发射光谱、fourierfourier变换红外光谱等领变换红外光谱等领域极受重视。域极受重视。第38页，讲稿共71张，创作于星期日38常用的激光器有：常用的激光器有：主要波长为主要波长为693.4 nm 的红宝石激光器的红宝石激光器主要波长为主要波长为632.8 nm的的He-Ne激光器激光器主要波长为主要波长为514.5nm、488.0nm的的ArAr离子器。离子器。第39页，讲稿共71张，创作于星期日39二、单色器二、单色器 单色器的单色器的主要作用是将复合光分解成单色光主要作用是将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带。或有一定宽度的谱带。单色器由单色器由入射狭缝入射狭缝和和出射狭缝出射狭缝、准直镜准直镜以以及及色散元件色散元件，如棱镜或光栅等组成。，如棱镜或光栅等组成。第40页，讲稿共71张，创作于星期日40第41页，讲稿共71张，创作于星期日411.1.棱镜棱镜 棱镜的作用是把复合光分解为单色光。这棱镜的作用是把复合光分解为单色光。这是是由于不同波长的光在同一介质中具有不同的由于不同波长的光在同一介质中具有不同的折射率而形成的。折射率而形成的。常用的棱镜有常用的棱镜有CornuCornu（考纽）棱镜，是顶考纽）棱镜，是顶角角 为为6060 的棱镜；的棱镜；为了防止生成双像，为了防止生成双像，Littrow Littrow（立特鲁）立特鲁）棱镜是由棱镜是由2 2个个3030 棱镜组成，一边为左旋石英，棱镜组成，一边为左旋石英，另一边为右旋石英，左旋、右旋石英做成另一边为右旋石英，左旋、右旋石英做成3030 棱镜。棱镜。第42页，讲稿共71张，创作于星期日42 对于同一材料，光的折射率为其波长的函数。对于同一材料，光的折射率为其波长的函数。在可见及紫外光谱域，可用下式表示：在可见及紫外光谱域，可用下式表示：n n=A+B/=A+B/2 2+C/+C/4 4 式中式中n n为折射率，为折射率，为波长，为波长，A A、B B、C C为常数。为常数。由公式可见，波长越长，折射率愈小。当包含有由公式可见，波长越长，折射率愈小。当包含有不同波长的复合光通过棱镜时，不同波长的光就会因不同波长的复合光通过棱镜时，不同波长的光就会因折射率不同而分开。这种作用称为棱镜的色散作用。折射率不同而分开。这种作用称为棱镜的色散作用。第43页，讲稿共71张，创作于星期日432.2.光栅光栅 光栅分为光栅分为透射光栅和反射光栅透射光栅和反射光栅，常用，常用的是反射光栅。反射光栅又可分为平面反的是反射光栅。反射光栅又可分为平面反射光栅（或称闪耀光栅）和凹面反射光栅。射光栅（或称闪耀光栅）和凹面反射光栅。光栅由玻璃片或金属片制成。光栅是一光栅由玻璃片或金属片制成。光栅是一种多狭缝部件，种多狭缝部件，光栅光谱的产生是多狭缝干涉光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单狭缝衍射两者联合作用的结果和单狭缝衍射两者联合作用的结果。第44页，讲稿共71张，创作于星期日44干涉干涉 当频率相同、振动方向相同、周相相当频率相同、振动方向相同、周相相等或周相差保持恒定的波源所发射的相干等或周相差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，会产生波的干涉现象。波互相叠加时，会产生波的干涉现象。第45页，讲稿共71张，创作于星期日45 若两光波光程差为若两光波光程差为，波长为，波长为，则，则当光程差等于波长当光程差等于波长 的整数倍时，两波的整数倍时，两波将互相加强到最大程度，即将互相加强到最大程度，即 =K （K=0，1，2）此时，两光波在焦点上将相互加强此时，两光波在焦点上将相互加强形成明条纹。形成明条纹。第46页，讲稿共71张，创作于星期日46 相反，当两波的光程差等于半波长相反，当两波的光程差等于半波长的奇数倍时，两波将相互减弱到最大程的奇数倍时，两波将相互减弱到最大程度，即度，即 =（2 K+1）/2 （K=0，1，2）第47页，讲稿共71张，创作于星期日47 通过干涉现象，可以得到明暗相间的条纹。通过干涉现象，可以得到明暗相间的条纹。当两列波相互加强时可得到明亮的条纹；当两列波相互加强时可得到明亮的条纹；当两列波互相抵消时则得到暗条纹。当两列波互相抵消时则得到暗条纹。这些明暗条纹称为这些明暗条纹称为干涉条纹。干涉条纹。第48页，讲稿共71张，创作于星期日48衍射衍射 光波绕过障碍物而弯曲地向它后面光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象，称为波的衍射现象。传播的现象，称为波的衍射现象。若以平行光束通过狭缝若以平行光束通过狭缝ABAB，狭缝宽，狭缝宽度为度为a a，入射角为入射角为 角方向传播，经透镜角方向传播，经透镜聚焦后会聚于聚焦后会聚于P P点。点。PP P0 0a 单缝衍射单缝衍射AB第49页，讲稿共71张，创作于星期日49 多缝干涉决定光谱出现的位置，单缝衍射多缝干涉决定光谱出现的位置，单缝衍射决定谱线的强度分布。下图为平面反射光栅的决定谱线的强度分布。下图为平面反射光栅的一段垂直于刻线的截面。一段垂直于刻线的截面。衍射光束第50页，讲稿共71张，创作于星期日50它的色散作用可用光栅公式表示它的色散作用可用光栅公式表示 d（sin +sin）=K 公式中公式中 和和 分别为入射角和衍射分别为入射角和衍射角，整数角，整数n n为光谱级次，为光谱级次，d d为光栅常数。为光栅常数。若用若用a a表示每一狭缝的宽度，表示每一狭缝的宽度，c c表示两条表示两条狭缝之间的距离，则（狭缝之间的距离，则（a+ca+c）称为光栅称为光栅常数。常数。角规定为正值；如果角规定为正值；如果 角角 和和 角在光栅法线同侧，角在光栅法线同侧，取正值，异侧则取正值，异侧则取负值。取负值。第51页，讲稿共71张，创作于星期日51当当K=0K=0时，即零级光谱，衍射角与波长无关，时，即零级光谱，衍射角与波长无关，也就是无分光作用。也就是无分光作用。当当K K不等于零时，衍射角或反射角随波长而异，不等于零时，衍射角或反射角随波长而异，即不同波长的辐射经光栅反射后将分散在即不同波长的辐射经光栅反射后将分散在不同空间位置上，这就是光栅进行分光的不同空间位置上，这就是光栅进行分光的依据。依据。第52页，讲稿共71张，创作于星期日52 光栅的光学特性：光栅的光学特性：光栅的特性可用光栅的特性可用色散率色散率和分辨能力和闪耀特性和分辨能力和闪耀特性来表示。来表示。当入射角当入射角 不变时，光栅的角色散率可用不变时，光栅的角色散率可用光栅公式微分求得光栅公式微分求得 d /d =K/d cos 式中式中d d/d/d 为衍射角对波长的变化率，为衍射角对波长的变化率，也就是光栅的角色散率。当也就是光栅的角色散率。当 变化很小时，可变化很小时，可以认为以认为coscos=1=1。第53页，讲稿共71张，创作于星期日53 d d /d/d =K/d cos=K/d cos 因此，光栅的角色散率只决定于光栅因此，光栅的角色散率只决定于光栅常数常数d d和光谱级次和光谱级次K K，可以认可以认为是常数，不为是常数，不随波长而变，这样的光谱称为随波长而变，这样的光谱称为“均排光谱均排光谱”，这是光栅优于棱镜的一方面。，这是光栅优于棱镜的一方面。第54页，讲稿共71张，创作于星期日54 在实际工作中用线色散率在实际工作中用线色散率d dl l/d/d 表表示。对于平面光栅，线色散率为示。对于平面光栅，线色散率为 dl/d =d/d f =Kf /d cos 式中式中f f 为会聚透镜的焦距。由于为会聚透镜的焦距。由于cos 1（6）则则 dl/d =K f/d第55页，讲稿共71张，创作于星期日55光栅的分辨能力光栅的分辨能力 光栅分辨率光栅分辨率R R为：为：R=/=KN N N为光栅的总刻线数。为光栅的总刻线数。由此可见，分辨率与光谱级数和光栅总由此可见，分辨率与光谱级数和光栅总刻线数成正比，与波长无关。刻线数成正比，与波长无关。第56页，讲稿共71张，创作于星期日56 在实际工作中，要想获得高分辨在实际工作中，要想获得高分辨率，最现实的办法是采用大块的光栅，率，最现实的办法是采用大块的光栅，以增加总刻线数。目前，有些光谱仪以增加总刻线数。目前，有些光谱仪已有已有254mm大光栅，起分辨率可达大光栅，起分辨率可达6 6 10105 5。第57页，讲稿共71张，创作于星期日57闪耀光栅闪耀光栅 非闪耀光栅其能量分布与单缝衍射相似，非闪耀光栅其能量分布与单缝衍射相似，大部分能量集中在没有被色散的大部分能量集中在没有被色散的“零级光谱零级光谱”中，小部分能量分散在其它各级光谱。中，小部分能量分散在其它各级光谱。零级光谱不起分光作用，不能用于光谱分零级光谱不起分光作用，不能用于光谱分析。而色散越来越大的一级、二级光谱，强度析。而色散越来越大的一级、二级光谱，强度却越来越小。为了降低零级光谱的强度，将辐却越来越小。为了降低零级光谱的强度，将辐射能集中于所要求的波长范围，近代的光栅采射能集中于所要求的波长范围，近代的光栅采用定向闪耀的办法。用定向闪耀的办法。第58页，讲稿共71张，创作于星期日58 即将光栅刻痕刻成一定的形状，使每即将光栅刻痕刻成一定的形状，使每一刻痕的小反射面与光栅平面成一定的角一刻痕的小反射面与光栅平面成一定的角度度，使衍射光强的最大从原来与不分光使衍射光强的最大从原来与不分光的零级最大重合的方向，转移至由刻痕的零级最大重合的方向，转移至由刻痕形状决定的反射方向。形状决定的反射方向。第59页，讲稿共71张，创作于星期日59第60页，讲稿共71张，创作于星期日60 结果使反射光方向光谱变强，这种现象称结果使反射光方向光谱变强，这种现象称为闪耀。为闪耀。辐射能量最大的波长称为辐射能量最大的波长称为闪耀波长闪耀波长。光栅刻痕。光栅刻痕反射面与光栅平面的夹角，称为反射面与光栅平面的夹角，称为闪耀角闪耀角。第61页，讲稿共71张，创作于星期日61 每一个小反射面与光栅平面的夹角每一个小反射面与光栅平面的夹角 i i 保持一定，以控制每一小反射面对光的反射保持一定，以控制每一小反射面对光的反射方向，使光能集中在所需要的一级光谱上，方向，使光能集中在所需要的一级光谱上，这种光栅称为这种光栅称为闪耀光栅闪耀光栅。当当 =i 时，在衍射角时，在衍射角 的方向上可的方向上可得到最大的相对光强。得到最大的相对光强。i i角称为角称为闪耀角闪耀角。第62页，讲稿共71张，创作于星期日62两种分光器的比较两种分光器的比较分光原理不同，折射和衍射。分光原理不同，折射和衍射。棱棱镜镜的的波波长长越越短短，偏偏向向角角越越 大，而光栅正好相反。大，而光栅正好相反。光光栅栅的的谱谱级级重重叠叠，有有干干扰扰，要要考考虑虑消消除除；而而棱棱镜镜不不存存在在这这种种情情况。况。第63页，讲稿共71张，创作于星期日63实例对一块宽度为对一块宽度为5050mmmm，刻线数为刻线数为600600条条/mmmm的光栅，它的一级光栅的分辩能力为多的光栅，它的一级光栅的分辩能力为多少？少？解：解：R=150600=3104此时，在此时，在60006000埃附近的两条谱线的距离为多少？埃附近的两条谱线的距离为多少？解：解：=/R=6000/3000=0.2 埃埃第64页，讲稿共71张，创作于星期日643.3.狭缝狭缝 狭缝是由两片经过精密加工，且具有狭缝是由两片经过精密加工，且具有锐利边缘的金属片组成，其两边必须保持锐利边缘的金属片组成，其两边必须保持互相平行，并且处于同一平面上。互相平行，并且处于同一平面上。第65页，讲稿共71张，创作于星期日65 狭缝宽度对分析有重要意义。单色器狭缝宽度对分析有重要意义。单色器的分辨能力表示能分开最小波长间隔的能的分辨能力表示能分开最小波长间隔的能力。波长间隔大小决定于分辨率、狭缝宽力。波长间隔大小决定于分辨率、狭缝宽度和光学材料性质等，它用有效带宽度和光学材料性质等，它用有效带宽S S表示表示 S=DW 式中，式中，D D为线色散率倒数，为线色散率倒数，W W为狭缝宽度。为狭缝宽度。第66页，讲稿共71张，创作于星期日66 当仪器的色散率固定时，当仪器的色散率固定时，S S将随将随W W而而变化。变化。对于原子发射光谱，对于原子发射光谱，在定性分析时一般用较窄的狭缝，这在定性分析时一般用较窄的狭缝，这样可以提高分辨率，使邻近的谱线清晰样可以提高分辨率，使邻近的谱线清晰分开。分开。在定量分析时则采用较宽的狭缝，以在定量分析时则采用较宽的狭缝，以得到较大的谱线强度。得到较大的谱线强度。第67页，讲稿共71张，创作于星期日67 对于原子吸收光谱分析，由于吸收线的对于原子吸收光谱分析，由于吸收线的数目比发射线少得多，谱线重叠的几率小，数目比发射线少得多，谱线重叠的几率小，因此因此常采用较宽的狭缝，常采用较宽的狭缝，以得到较大的光强。以得到较大的光强。当然，如果背景发射太强，则要适当减小狭当然，如果背景发射太强，则要适当减小狭缝宽度。缝宽度。一般原则，在不引起吸光度减少的情况一般原则，在不引起吸光度减少的情况下，采用尽可能大的狭缝宽度。下，采用尽可能大的狭缝宽度。第68页，讲稿共71张，创作于星期日68三、吸收池三、吸收池 吸收池一般由光透明的材料制成。在吸收池一般由光透明的材料制成。在紫外光区工作时，采用石英材料；紫外光区工作时，采用石英材料；可见光区，则用硅酸盐玻璃；可见光区，则用硅酸盐玻璃；红外光区，则可根据不同的波长范红外光区，则可根据不同的波长范围选用不同材料的晶体制成吸收池的窗口。围选用不同材料的晶体制成吸收池的窗口。第69页，讲稿共71张，创作于星期日69四、检测器四、检测器 检测器可分为两类，一类对光子有响应检测器可分为两类，一类对光子有响应的光检测器，另一类为对热产生响应的热检的光检测器，另一类为对热产生响应的热检测器。测器。光检测器光检测器有硒光电池、光电管、光电倍有硒光电池、光电管、光电倍增管、半导体等。增管、半导体等。热检测器热检测器是吸收辐射并根据吸收引起的是吸收辐射并根据吸收引起的热效应来测量入射辐射的强度，包括真空热热效应来测量入射辐射的强度，包括真空热电偶、热电检测器、热电偶等。电偶、热电检测器、热电偶等。第70页，讲稿共71张，创作于星期日70感感谢谢大大家家观观看看4/8/2023第71页，讲稿共71张，创作于星期日