Ch02-光分析导论

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1、第二章光学分析法导论Chapter2.IntroductionofSpectroscopy基本概念、分类以及仪器TheBasicConcepts,Classification,andInstrumentation1.电磁辐射(ElectromagneticRadiation)的性质波动性和微粒性(VolatilityandParticulate)电磁波谱(ElectromagneticSpectrum)2021/10/82电磁辐射的波动性电磁波电场矢量E和磁场矢量Hy=Asin(t+)=Asin(2vt+)电磁波的波动性可以用电场矢量E和磁场矢量H来描述

2、。右图为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在一个平面内振动，磁场矢量H在另一个与E相垂直的平面内振动。E和H都是正弦波性，且垂直于波的传播方向。2021/10/83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E代表电磁波。波的传播以及反射、衍射、干涉、折射以及散射等性质说明电磁波具有波的性质，可以用速度、频率、波长和振幅等参数来描述。周期(Period)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。单位为s（秒）。频率(Frequency)ν：单位时间内电磁场震动的次数。等于周期的倒数1/T，单位

3、为Hz（赫兹，1/s）。电磁波的频率只决定于辐射源，与介质无关。波长(Wavelength)λ：相邻波峰或波谷间的直线距离。λ=c/ν波数(Wavenumber)：每厘米长度内含有的波长数目。=1/λ=ν/c2021/10/84电磁辐射的微粒性电磁波的波动性不能解释辐射的发射和吸收现象。对于光电效应(Photoeffect)及黑体辐射(Blackbodyradiation)的光谱能量分布等现象，需要把辐射视为微粒(Photon,光子)才能得到满意的解释。Planck等认为，被热激发的振动的质点的能量是量子化的，当振子从一个允许的高能级跃迁至一个低能级时就有一个光

4、子的能量发射出来，能量与辐射关系为：E=hν=hc/λh为Planck常数，h=6.626×10-34Js。光子的能量单位可以用焦耳(J)或电子伏特(eV)表示。1eV=1.602×10-19J2021/10/852021/10/86电磁波分类Classificationofelectromagneticwaves吸收(Absorption)发射(Emission)散射(Scatter)折射和反射(RefractionandReflection)干涉和衍射(Interferenceanddiffraction)2.光与物质的作用(Interaction)202

5、1/10/87吸收(Absorption)当原子、分子或离子吸收光子的能量与它们的基态能量和激发态能量之差∆E=hν时，将从基态跃迁至激发态，此过程就是吸收。将测得的吸收强度对入射光的波长或波数作图，得到该物质的吸收光谱(Absorptionspectra)。由吸收光谱可以确定试样的组成、含量以及结构。根据吸收光谱原理建立的分析方法称为吸收光谱法(AbsorptionSpectrometry)。2021/10/88发射(Emission)当物质吸收能量后由基态(Groundstate)跃迁至激发态(Excitedstate)，激发态是不稳定的，大约经过10-8s

6、后从激发态跃迁回基态，此时若以光的形式释放出能量，此过程称为发射。试样的激发有通过电子碰撞引起的电激发(Electricalexcitation)、电弧(Arc)或火焰(Flame)的热激发(Thermalexcitation)以及用适当波长的光激发等。2021/10/89102021/10/8散射(Scatter)光通过介质时会发生散射现象。丁达尔散射(TyndallScatter)：大分子（如胶体粒子和聚合物分子）尺寸与光的波长相近时所产生的散射现象，此时散射光极强（与2成反比），可以肉眼观察到（1859）。JohnTyndall1820-1893瑞利散射

7、(Rayleigh)：（弹性碰撞，方向改变，但不变）当分子或分子集合体的尺寸远小于光的波长时所发生的散射现象。使分子外部分电子跃迁到受激虚态，不稳定，会回跃迁至基态。散射光强度与4成反比。波长较短的蓝光比波长较长的红光更易散射。LordRayleigh1842-1919NobelPrize19042021/10/811122021/10/8瑞利散射使天空呈现蓝色，纯净的水面由于反射天空，也呈现蓝色。瑞利散射可以解释天空为什么是蓝色的。白天，太阳在我们的头顶，当日光经过大气层时，与空气分子(其半径远小于可见光的波长)发生瑞利散射，因为蓝光比红光波长短，瑞利散射

8、发生的比较激烈，被散射的