材料分析测试方法教学教案 20.ppt

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1、15红外光谱15.1概述能级跃迁当电子吸收了外来辐射的能量，就从一个能量较低的能级跃迁到另一个能量较高的能级。15.1概述由于分子内部运动所牵涉到的能级变化比较复杂，分子吸收光谱也就比较复杂。在分子内部除了电子运动状态之外，还有核间的相对运动，即核的振动和分子绕重心的转动。15.1概述一个分子吸收了外来辐射之后，它的能量变化△E为：振动能变化△Ev、转动能变化△Er、电子运动能量变化△Ee15.1概述△Ee最大，一般在1～2OeV之间。假设△Ee为5eV，其相应的波长为：5.1概述△Ev一般为0·05～leV若△Ev为0·leV，即为5eV的电子能级

2、间隔的2%。则在发生电子能级之间跃迁的同时，必然会发生振动能级之间的跃迁，得到一系列的谱线，相互波长的间隔为25Onm×2%=5nm，而不是250nm单一的谱线。15.1概述△Er一般小于0·O5eV若△Er为0.005eV，则为5eV的电子能级间隔的0·1%。当发生电子能级和振动能级之间的跃迁时，必然会发生转动能级之间的跃迁。得到的谱线彼此间的波长间隔只有25Onm×O·1%=0·25nm如此小的间隔使它们连在一起，呈现带状，称为带状光谱。15.1概述双原子分子的三种能级跃迁示意图15.1概述物质对不同波长的光线具有不同的吸收能力，物质也只能选择性

3、地吸收那些能量相当于该分子振动能变化△Ev、转动能变化△Er以及电子运动能量变化△Ee总和的辐射。由于各种物质分子内部结构的不同，分子的能级也千差万别，各种能级之间的间隔也互不相同，这样就决定了它们对不同波长光线的选择吸收。15.1概述如果改变通过某一吸收物质的入射光的波长，并记录该物质在每一波长处的吸光度（A），然后以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，得到的谱图称为该物质的吸收光谱或吸收曲线。15.1概述分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动-转动光谱，这

4、种光谱称为红外吸收光谱。红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。15.1概述当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。15.1概述聚甲基丙烯酸甲酯的红外光谱图15.1概述15.1.1红外光区的划分红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范围约为0.75~1000µm。根据仪器技术和应用不同，习惯上又将红外光区分为三个区。15.1概述近红外区：0.75~2.5m

5、，泛音区（用于研究单键的倍频、组频吸收）中红外区：2.5~25m，基频振动区（各种基团基频振动吸收）远红外区：25m以上，转动区（价键转动、晶格转动）15.1概述红外吸收光谱一般用T~曲线或T~（波数）曲线表示。纵坐标为百分透射比T%，因而吸收峰向下，向上则为谷；横坐标是波长（单位为µm），或（波数）（单位为cm-1）。中红外区的波数范围是4000~400cm-1。15.1概述甲基丙烯酸甲酯的红外光谱图15.1概述15.1.2红外光谱法的特点主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物。15.1概述红外吸收带的波数位置、波峰的数目以及吸收谱带的强

6、度反映了分子结构上的特点，可以用来鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关，可用以进行定量分析和纯度鉴定。15.2基本原理15.2.1产生红外吸收的条件1.辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等以双原子分子振动光谱为例说明。可近似地看成沿键轴方向的简谐振动双原子分子伸缩振动示意图15.2基本原理振动位能与原子间的距离及平衡距离间关系：k为力常数，当r=re时，U=0，当r＞re或r＜re时，U＞0。双原子分子振动势能曲线15.2基本原理在A、B两原子距平衡位置最远时式中，υ为振动量子数（υ=

7、0，1，2，3……）；为分子振动的频率；是与振动量子数υ相应的体系能量；h为planck常数。15.2基本原理室温时，分子处于基态（υ=0）此时，伸缩振动的频率很小。当有红外辐射照射到分子时分子振动能级的能量差为：红外辐射的光子能量为：15.2基本原理即：红外吸收光谱的第一条件15.2基本原理基频峰分子吸收红外辐射后，由基态振动能级（=0）跃迁至第一振动激发态（=1）时，所产生的吸收峰称为基频峰。因为△=1时，L=，所以基频峰的位置（L）等于分子的振动频率。15.2基本原理2.辐射与物质之间有耦合作用为满足这个条件，分子振动必须伴随偶极矩

8、的变化。红外跃迁是偶极矩诱导的，即能量转移的机制是通过振动过程所导致的偶极矩的变化和交变的电磁场（红外线）相