1.光学分析法导论

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1、第一章光学分析法导论（AnIntroductiontoOpticalAnalysis）1.1电磁辐射的性质电磁辐射（electromagneticradiation）是一种以极大的速度（在真空中为2.9979×1010cm·s－1）通过空间，不需要任何物质作为传播媒介的能量。它包括无线电波、微波、红外光、紫外-可见光以及X射线和γ射线等形式。电磁辐射具有波动性和微粒性。1.1.1电磁辐射的波动性根据Maxwell的观点，电磁辐射的波动性可以用电场矢量E和磁场矢量M来描述，如图1.1.1所示。它是最简单的单个频率的平面偏振电磁波。平面偏振就是它的电场矢量E在一个平面

2、内振动，而磁场矢量M在另一个与电场矢量相垂直的平面内振动。电场和磁场矢量都是正弦波形，并且垂直于波的传播方向。与物质的电子相互作用的是电磁波的电场，所以磁场矢量可以忽略，仅用电场矢量代表电磁波。波的传播以及反射、衍射、干涉、折射和散射等现象表现了电磁辐射具有波的性质，可以用以下波参数来描。图1.1.1电磁波的电场矢量E和磁场矢量M1）周期T相邻两个波峰或波谷通过空间某一固定点所需要的时间间隔称为周期，单位为s（秒）。2）频率ν单位时间内通过传播方向上某一点的波峰或波谷的数目，即单位时间内电磁场振动的次数称为频率，它等于周期的倒数1/T，单位为1/s（1/秒），称为

3、赫兹，以Hz表示。电磁波的频率只取决于辐射源，与通过的介质无关。3）波长λ相邻两个波峰或波谷的直线距离。若电磁波传播速度为c，频率为ν，那么波长λ为：（1.1.1）不同的电磁波谱区可采用不同的波长单位，可以是m，cm，μm或nm，他们之间的换算关系为1m=102cm=106μm=109nm。4）波数每厘米长度内含有波长的数目，即波长的倒数：（1.1.2）单位为cm－1（厘米－1），将波长换算成波长的关系式为：§19§（cm－1）（1.1.3）5）传播速度υ辐射的速度等于频率ν乘以波长λ，即υ=νλ。在真空中辐射的传播速度与频率无关，并达到其最大值，这个速度以符号c

4、表示，c值已被准确地测定为2.9979×1010cm·s－1。1.1.2电磁辐射的微粒性电磁辐射的波动性不能解释辐射的发射和吸收现象。对于光电效应及黑体辐射的光能量分布等现象，需要把辐射视为微粒（光子）才能满意地解释。Planck认为物质吸收或发射辐射能量是不连续的，只能按一个基本固定量一份一份地或以此基本固定量的整倍数来进行。这就是说，能量是“量子化”的。这种能量的最小单位即为“光子”。光子是具有能量的，光子的能量与它的频率成正比，或与波长成反比，而与光的强度无关。（1.1.4）式中E代表每个光子的能量；ν代表频率；h是Planck常数，h=6.626×10－3

5、4J·s；c为光速，该式统一了属于微粒概念的光子的能量E与属于波动概念的光的频率两者之间的关系。光子的能量可用J（焦耳）或eV（电子伏）表示，eV常用来表示高能量光子的能量单位，它表示1个光子通过电位差为1V的电场时所获得的能量，1eV=1.602×10－19J，或1J=6.241×1018eV。在化学中用J·mol－1为单位表示1mol物质所发射或吸收的能量：E=hνNA=hcNA（1.1.5）将Planck常数h，光速c和阿伏伽德罗常数NA代入，得E=（6.626×10－34×2.998×1010×6.022×1023×）J·mol－1=（11.96）J·mo

6、l－11.1.3电磁波谱将各种电磁辐射按照波长或频率的大小顺序排列起来即称为电磁波谱。表1.1.1列出了用于分析目的的电磁波的有关参数。γ射线的波长最短，能量最大；其后是X射线、紫外-可见和红外区；无线电波区波长最长，其能量最小。表1.1.1电磁波谱的有关参数E/eVν/Hzλ电磁波跃迁类型＞2.5×105＞6.0×1019＜0.005nmγ射线区核能级2.5×105～1.2×1026.0×1019～3.0×10160.005～10nmX射线区}K,L层电子能级1.2×102～6.23.0×1016～1.5×101510～200nm真空紫外区6.2～3.11.5×

7、1015～7.5×1014200～400nm近紫外光区}外层电子能级3.1～1.67.5×1014～3.8×1014400～800nm可见光区1.6～0.503.8×1014～1.2×10140.8～2.5μm近红外光区}分子振动能级0.50～2.5×10－21.2×1014～6.0×10122.5～50μm中红外光区2.5×10－2～1.2×10－36.0×1012～3.0×101150～1000μm远红外光区}分子转动能级1.2×10－3～4.1×10－63.0×1011～1.0×1091～300mm微波区＜4.1×10－6＜1.0×109＞300mm无线电波

8、区电子和核