第2章光学分析法导论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 光学分析法导论,一电磁波的基本性质,1,电磁波的种类：,波长,510,-3,0.1,0.1,10,10,200,200,400,名称,射线,x,射线,远紫外光,近紫外光,波长,400,750,750,1.010,6,1.010,6,1.0,10,9,1.010,9,1.0,10,12,名称,可见光,红外光,微波,无线电波,射线,x,射线,紫外光,红外光,微波,无线电波,10,-2,nm 10 nm 10,2,nm 10,4,nm 0.1 cm 10cm 10,3,cm 10,5,cm,可 见 光,表征电磁波特性的参数：,可以用波长,、,频率,、,速度,c,、,波数,、,能量等来表示其特性。,波长（,）：,表示相邻两个光波各相应点间的直线距离（或相应两个波峰或波谷间的直线距离）。,波,数（,）：,指在单位长度内波的数目。,频率（,）：,指在,1,秒时间内经过某点的波数（即每秒内振动的次数）。,能量,(E),：,光子所具有的能量。,光的能量与光的波长及频率之间的关系为：,=h=,hc/,式中为光的能量（尔格）；,为频率；,为波长；,h,为普朗克常数，其值为,6.625610,-27,尔格,秒；,c,为光速。,二、物质与光的相互作用：,1,、折射和反射,2,、散射,3,、吸收和发射,光学分析法可分为,光谱法,和,非光谱法,两大类。,三、光学分析法分类,光谱法,光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。,它又可分为吸收光谱法、发光光谱法、散射光谱法三种。,）吸收光谱法：它是利用物质吸收光后所产生的吸收光谱来进行分析的方法。,）发光光谱法：物质中的粒子用一定的能量（如光、电、热等）激发到高能级后，当跃迁回低能级时，便产生出特征的发射光谱，利用此发射光谱进行的分析的方法,）散射光谱法：利用物质对光的散射来进行分析的方法。,非光谱法：,非光谱法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、干涉、衍射、偏振等变化的分析方法。主要有折射法和旋光法。,三,.,光谱种类,（一）依外形分类,：,线状光谱,:,带状光谱,:,连续光谱：,线光谱,:,由若干条强度不同的谱线和暗区相间而成的光谱。,带状光谱,:,由几个光带和暗区相间而成的光谱。,线,光谱,带,光谱,连续光谱,：,在一定范围内。各种波长的光都有，连续不断，无明显的谱线和谱带。,（二）分子光谱和原子光谱：,原子光谱主要是由于核外电子能级发生变化而产生的辐射或吸收而产生的光谱。,分子光谱则是由于分子中电子能级及分子的振动、分子的转动能级的变化而产生的光谱。,第三节,光谱法仪器与光学器件,一、,光分析法仪器的基本流程,general process of spectrometry,光谱仪器通常包括五个基本单元：,光源；单色器；样品；检测器；显示与数据处理；,二、,光分析法仪器的基本单元,main parts of spectrometry,1.,光源,依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等；依据光源性质不同，分为：,连续光源,：,在较大范围提供连续波长的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等；,线光源,：,提供特定波长的光源，金属蒸气灯,(,汞灯、钠蒸气灯,),、空心阴极灯、激光等；,2.,单色器,单色器,：,获得高光谱纯度辐射束的装置，而辐射束的波长可在很宽范围内任意改变；,主要部件,：,（,1,）进口狭缝；,（,2,）准直装置,(,透镜或反射镜,),：使辐射束成为平行光线；,（,3,）色散装置,(,棱镜、光栅,),：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；,（,4,）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像。,棱镜,棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光，折射率小；波长短的光，折射率大。,平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；,棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料；,棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；,棱镜的特性与参数,（,1,）色散率,角色散率,：,用,d,/d,表示，偏向角,对波长的变化率,；,棱镜的顶角越大或折射率越大，角色散率越大，分开,两条,相邻,谱线的能力越强，但,顶角越大，反射损失也增大，通常为,60,度角；,线色散率,：用,d,l,/d,表示，两条,相邻,谱线在焦面上被分开的距离对波长的变化率；,倒线色散率,：用,d/d,l,表示，,（,2,）分辨率,相邻两条谱线分开程度的度量：,：两条相邻谱线的平均波长；,：,两条谱线的波长差；,b,：,棱镜的底边长度；,n,：,棱镜介质材料的折射率。,分辨率与波长有关,，,长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分离后的光谱属于,非均排光谱,。,光栅,透射光栅，反射光栅；,光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共同作用的结果，前者决定光谱出现的位置，后者决定谱线强度分布；,光栅的特性,ABCDE,表示平面光栅的一段；,光线,L,在,AJF,处同相，到达,AKI,平面，光线,L,2,M,2,要比光线,L,1,M,1,多通过,JCK,这段距离。,FEI,=2,JCK,，其后各缝隙的光程差将以等差级数增加，3,JCK,、4,JCK,等。,当光线,M,1,、,M,2,、,M,3,到达焦点时，如果他们沿平面波阵面AKI同相位，他们就会产生一个明亮的光源相，,只有,JCK,是光线波长的整数倍时才能满足条件。,光栅的特性：,如果：,d,=,AC,=,CE,JC,+,CK,=,d,(sin,+sin,)=,n,即,光栅公式,：,d,(sin,+sin,)=,n,、,分别为入射角和反射角；整数,n,为光谱级次,；,d,为光栅常数,；,角规定取正值，如果,角与,角在光栅法线同侧，,角取正值，反之区负值；,当,n,=0,时，零级光谱，衍射角与波长无关，无分光作用。,光栅的特性：,将反射光栅的线槽加工成适当形状能使有效强度集中在特定的衍射角上。,图所示反射光栅是由与光栅表面成,角的小斜面构成,(,小阶梯光栅，,闪耀光栅,),，,角叫做,闪耀角,。,选择适宜的闪耀角，可以使,90%,的有效能量集中在单独一级的衍射上。,光栅的参数：,光栅的特性可用色散率和,分辨率,来表征，当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：,d,/d,为入射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。,当,很小，且变化不大时，,cos,1,，,光栅的角色散率决定于光栅常数,d,和光谱级数,n,，,常数，不随波长改变，,均排光谱,（,优于棱镜之处,）。,角色散率只与色散元件的性能有关；线色散率还与仪器的焦距有关。,