电磁辐射基础

,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,*,第一章 电磁辐射基础,第一节 电磁辐射的基本性质,1,2,一、光分析法及其特点,光分析法,：基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法；,电磁辐射范围,：射线无线电波所有范围；,相互作用方式,：发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；,光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方面具有其他方法不可取代的地位；,3,三个基本过程：,（1）能源提供能量；,（2）能量与被测物之间的相互作用；,（3）产生信号。,基本特点：,（1）所有光分析法均包含三个基本过程；,（2）选择性测量，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）；,（3）涉及大量光学元器件。,4,二、电磁辐射的基本性质,一、电磁辐射,电磁波的分类：,无线电波（射频）,11000m,微波,0.1100cm,红外,0.751000m,可见光,400750nm,紫外,10400nm,X,射线,10,-3,10nm,射线,5140pm,5,共同点,:,它们作为横向电磁波在空间传播，在真空中的速度等于光速：,=c,-,波长；,-,频率；,c-,光在真空中的速度，约为,310,8,m/s,不同点：,波长不同，频率不同，所具有的能量各不相同。所以，产生各种谱线电磁波的方法也不相同,例：红外光，由分子的振动和转动产生的；,X,射线，由高速运动的电子束轰击原子内层电子产生的,。,6,二、光的二象性,光具有二象性：,波动性,， 如：光的折射、衍射、偏振和 干涉等,微粒性,， 如：光电效应,光子具有能量,h,：,E=h=hc/,（能量与波长关系）,光子具有动量,h/c,：,p=h/c=h /,（动量与波长关系）,7,三、辐射能参数,周期,(T),：正弦波中相继两个极大通过空间某,固定点所需的时间间隔称为辐射的周期。,频率,(),：每秒钟内振动的次数，即,1,T,，通常以赫兹,(Hz),表示,取决波源，与通过的介质无关。,波长,(),：相邻两个波峰或波谷间的距离。,波数,(),：每厘米内波的振动次数，单位为,cm,-1,。,电子伏特（,eV),：一个电子通过,1V,电压降时具有的能量。,8,四、辐射能的特性：,(1) 吸收,物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能级跃迁到高能级；,(2),发射,将吸收的能量以光的形式释放出；,(3) 散射,丁铎尔散射和分子散射；,(4) 折射,折射是光在两种介质中的传播速度不同；,(5) 反射,(6) 干涉,干涉现象；,(7) 衍射,光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象；,(8) 偏振,只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。,9,四、辐射能的特性：,衍射：,波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现象。孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著。,10,如果采用单色平行光，则衍射后将产生,干涉,结果。相干波在空间某处相遇后，因位相不同，相互之间产生干涉作用，引起相互加强或减弱的物理现象。 衍射的结果是产生明暗相间的衍射花纹，代表着,衍射方向,（角度）和强度。根据衍射花纹可以反过来推测光源和光栅的情况。 为了使光能产生明显的偏向，必须使“光栅间隔”具有与光的波长相同的数量级。,用于可见光谱的光栅每,毫米,要刻有约,500,条线 。,四、辐射能的特性：,11,第二节 原子光谱与分子光谱,12,一、原子光谱,由原子产生的光谱有：,基于原子外层电子跃迁而建立的原子吸收、原子发射、原子荧光三种；,基于原子内层电子跃迁的,X,荧光；,基于原子核与,射线的相互作用而建立的穆斯堡尔谱（,Mssbauer),等。,本章，主要介绍由原子外层电子产生的常用的三种光谱的某些共性。,13,1.光谱项符号,(,表示原子能级）,原子外层有一个电子时，其能级可由四个量子数决定：,主量子数,n,；,角量子数,l,；,磁量子数,m,；,自旋量子数,s,；,原子外层有多个电子时，其运动状态须用总角量子数,L,；,总自旋量子数,S,；,内量子数,J,描述。,14,总角量子数,L,L,=,l,外层价电子角量子数的,矢量和，,(2,L,+1)个,L,=|,l,1,+,l,2,| ， |,l,1,+,l,2,-1|，|,l,1,-,l,2,|,分别用,S,，,P,，,D,，,F,，,表示:,L,=0，1，2，3，,例：碳原子，基态的电子层结构(1,s),2,(2s),2,(2p),2,，,两个外层2,p,电子：,l,1,=,l,2,=1；,L,=2，1，0；,15,总自旋量子数,S,：,S,=,s,；,外层价电子自旋量子数的,矢量和，,(2,S,+1)个,S,=0 ， 1， 2， ,S,或 =,0 ，,1/2，3/2 ， ,S,例：碳原子，基态的电子层结构(1,s,),2,(2,s,),2,(2,p,),2,，,两个外层2,p,电子：,S,=0 ， 1 ； 3,个不同值；,L,与,S,之间存在相互作用；可分裂产生(2,S,+1)个能级；,这就是原子光谱产生光谱多重线的原因，,用,M,表示,，,称为谱线的多重性；,16,例：钠原子，一个外层电子，,S,=1/2；,因此：,M,=2(,S,) +1 = 2；双重线；,碱土金属：两个外层电子，,自旋方向相同时，,S,=1/2 + 1/2 =1，,M,= 3；三重线；,自旋方向相反时，,S,=1/2 1/2 =0，,M,= 1；单重线；,17,内量子数,J,：,内量子数,J,取决于总角量子数,L,和总自旋量子数,S,的矢量和,：,J,= (,L,+,S,)， (,L,+,S, 1)， (,L,S,),若,L,S,； 其数值共(2,S,+1)个；,若,L,S,； 其数值共(2,L,+1)个；,例：,L,=2，,S,=1，,则,J,有三个值，,J,= 3，2，1；,L,=0，,S,=1/2；,则,J,仅有一个值 1/2；,J,值又称为光谱支项,；,18,原子的能级,通常用,光谱项符号,表示：,n,M,L,J,n,：,主量子数；,M,：,谱线多重性符号；,L,：,总角量子数；,J,：,内量子数,钠原子的光谱项符号 3,2,S,1/2,；,表示钠原子的电子处于,n,=3，,M,=2(,S,=,1/2,)，,L,=0，,J,=,1/2,的能级状态（基态能级）；,19,电子能级跃迁的选择定则,一条谱线是原子的外层电子在两个能级之间的跃迁产生的，可用两个光谱项符号表示这种跃迁或跃迁谱线：,例 钠原子的双重线,Na 5889.96 ;,3,2,S,1/ 2, 3,2,P,3/ 2,；,Na 5895.93 ;,3,2,S,1/ 2, 3,2,P,1/ 2,；,20,电子能级跃迁的选择定则,根据量子力学原理，电子的跃迁不能在任意两个能级之间进行，必须遵循一定的“,选择定则,”,：,（1）,主量子数的变化,n,为整数，包括零；,（2）,总角量子数的变化,L,= 1；,（3）,内量子数的变化,J,=0，,1；,但是当,J,=0时，,J,=0的跃迁被禁阻；,（4）总自旋量子数的变化,S,=0,，即不同多重性状态之间的跃迁被禁阻；,21,2. 能级图,元素的光谱线系常用能级图来表示。最上面的是光谱项符号；最下面的横线表示基态；上面的表示激发态；,可以产生的跃迁用线连接；,线系：由各种高能级跃迁到同一低能级时发射的一系列光谱线；,22,3. 共振线,元素由基态到第一激发态的跃迁最易发生，需要的能量最低，产生的谱线也最强，该谱线称为,共振线,，也称为该元素的特征谱线；,由于其激发电位最低，因此共振线是元素光谱中最强的谱线。这个最低的激发电位，称为,共振电位,。,23,二、分子光谱,原子光谱为线状光谱，,分子光谱为带状光谱；,为什么分子光谱为带状光谱？,原子光谱图,分子光谱图,24,1.分子中的能量,E,=,E,e,+,E,v,+,E,r,+,E,n,+,E,t,+,E,i,分子中原子的核能：,E,n,分子的平移能：,E,t,电子运动能：,E,e,原子间相对振动能：,E,v,分子转动能：,E,r,基团间的内旋能：,E,i,在一般化学反应中，,E,n,不变；,E,t,、,E,i,较小；,E,=,E,e,+,E,v,+,E,r,分子产生跃迁所吸收能量的辐射频率：,=,E,e,/,h,+,E,v,/,h,+,E,r,/,h,25,2.双原子分子能级图,分子中价电子位于自旋成对的单重基态,S,0,分子轨道上，当电子被激发到高能级上时，若激发态与基态中的电子自旋方向相反，称为单重激发态，以,S,1,、,S,2,、,表示；反之，称为三重激发态，以,T,1,、,T,2,、,表示；,单重态分子具有抗磁性；,三重态分子具有顺磁性；,跃迁致单重激发态的几率大，寿命短；,26,3.跃迁类型与分子光谱,分子光谱复杂，电子跃迁时带有振动和转动能级跃迁；,分子的,紫外-可见吸收光谱,是由纯电子跃迁引起的，故又称电子光谱，谱带比较宽；,分子的,红外吸收光谱,是由于分子中基团的振动和转动能级跃迁引起的，故也称振转光谱；,分子的,荧光光谱,是在紫外或可见光照射下，电子跃迁至单重激发态，并以无辐射弛豫方式回到第一单重激发态的最低振动能级，再跃回基态或基态中的其他振动能级所发出的光；,分子的,磷光,是指处于第一最低单重激发态的分子以无辐射弛豫方式回到第一最低三重激发态，再跃迁回到基态所发出的光；,27,第三节 光分析法的分类,28,主要内容,光分析分类,各种光分析法简介,光分析方法的进展,光谱法仪器的基本流程,光谱仪器的基本器件,29,一、光分析分类,光谱法,基于物质与辐射能作用时，分子发生能级跃迁而产生的发射、吸收或散射的波长或强度进行分析的方法；,原子光谱、分子光谱,原子光谱（线性光谱）：最常见的三类,基于原子外层电子跃迁的原子吸收光谱（,AAS）；,原子发射光谱（,AES）、,原子荧光光谱（,AFS）；,基于原子内层电子跃迁的,X,射线荧光光谱（,XFS）；,基于原子核与,射线作用的穆斯堡尔谱；,30,分子光谱,（带状光谱）：,基于分子中电子能级、振-转能级跃迁；,紫外光谱法（,UV）；,红外光谱法（,IR）；,分子荧光光谱法（,MFS）；,分子磷光光谱法（,MPS）；,核磁共振波谱法（,NMR）；,非光谱法,：,不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，仅改变传播方向等物理性质；偏振法、干涉法、旋光法等；,31,光分析法,光谱分析法,非光谱分析法,原子光谱分析法,分子光谱分析法,原,子,吸,收,光,谱,原,子,发,射,光,谱,原,子,荧,光,光,谱,X,射,线,荧,光,光,谱,折,射,法,圆,二,色,性,法,X,射,线,衍,射,法,干,涉,法,旋,光,法,紫,外,光,谱,法,红,外,光,谱,法,分,子,荧,光,光,谱,法,分,子,磷,光,光,谱,法,核,磁,共,振,波,谱,法,32,光谱分析法,吸收光谱法,发射光谱法,原子光谱法,分子光谱法,原,子,发,射,原,子,吸,收,原,子,荧,光,X,射,线,荧,光,原,子,吸,收,紫,外,可,见,红,外,可,见,核,磁,共,振,紫,外,可,见,红,外,可,见,分,子,荧,光,分,子,磷,光,核,磁,共,振,化,学,发,光,原,子,发,射,原,子,荧,光,分,子,荧,光,分,子,磷,光,X,射,线,荧,光,化,学,发,光,33,二、各种光分析法简介,1.原子发射光谱分析法,以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的外层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。,2.原子吸收光谱分析法,利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液中离子转变成气态原子后，测定气态原子对共振线吸收而进行的定量分析方法。,34,3.原子荧光分析法,气态原子吸收特征波长的辐射后，外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，在10,-8,s,后跃回基态或低能态时，发射出与吸收波长相同或不同的荧光辐射，在与光源成90度的方向上，测定荧光强度进行定量分析的方法。,4.分子荧光分析法,某些物质被紫外光照射激发后，在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光，通过测量荧光强度进行定量分析的方法。,35,6.,X射线荧光分析法,原子受高能辐射，其内层电子发生能级跃迁，发射出特征,X,射线（,X,射线荧光），测定其强度可进行定量分析。,7. 化学发光分析法,利用化学反应提供能量，使待测分子被激发，返回基态时发出一定波长的光，依据其强度与待测物浓度之间的线性关系进行定量分析的方法。,5. 分子磷光分析法,处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进入第一三重激发态，再跃迁返回基态发出磷光。测定磷光强度进行定量分析的方法。,36,利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸收光谱图，可进行化合物结构分析，根据最大吸收波长强度变化可进行定量分析。,9.红外吸收光谱分析法,利用分子中基团吸收红外光产生的振动-转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法。,10.核磁共振波谱分析法,在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为能量不同的核磁能级，吸收射频辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行有机化合物结构分析 。,8. 紫外吸收光谱分析法,37,11.顺磁共振波谱分析法,在外磁场的作用下，电子的自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为磁量子数不同的磁能级，吸收微波辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行结构分析 。,12.旋光法,溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系，可利用旋光法研究某些天然产物及配合物的立体化学问题，旋光计测定糖的含量。,13.衍射法,X,射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图。,电子衍射：电子衍射是透射电子显微镜的基础，研究物质的内部组织结构。,38,三、光分析方法的进展,1. 采用新光源，提高灵敏度,级联光源：电感耦合等离子体-辉光放电；激光蒸发-微波等离子体,2.,联用技术,电感耦合高频等离子体（,ICP）,质谱,激光质谱：灵敏度达10,-20,g,3.,新材料,光导纤维传导，损耗少；抗干扰能力强；,39,4. 交叉,电致发光分析；光导纤维电化学传感器,5. 检测器的发展,电荷耦合阵列检测器光谱范围宽、量子效率高、线性范围宽、多道同时数据采集、三维谱图，将取代光电倍增管；,光二极激光器代替空心阴极灯，使原子吸收可进行多元素同时测定；,40,三种光分析法测量过程示意图,41,四、光分析法仪器的基本流程,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；,42,五、光分析法仪器的基本单元,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；,43,2.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；,44,（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。,棱镜单色仪,光栅单色仪,45,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；,46,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，,47,（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,。,48,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；,49,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。,50,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。,51,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，又称强度定向光栅)，,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。,52,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。,53,光栅的,线色散率,f,为会聚透镜的焦距。,光栅的分辨能力根据,Rakleigh,准则来确定。,等强度的两条谱线（,I，II）,中，一条（,II）,的衍射最大强度落在另一条的第一最小强度上时，两衍射图样中间的光强约为中央最大的80%，在这种情况下，两谱线中央最大距离即是光学仪器能分辨的最小距离（可分离的最小波长间隔）；,54,光栅的,分辨率,R,光栅的分辨率,R,等于光谱级次（,n,）,与光栅刻痕条数（,N,）,的乘积：,光栅越宽、单位刻痕数越多、,R,越大。,宽度50,mm，,N,=1200,条/,mm，,一级光谱的分辨率：,R,=1501200=610,4,55,3.试样装置,光源与试样相互作用的场所,（1）吸收池,紫外-可见分光光度法：石英比色皿,红外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片,（2）特殊装置,原子吸收分光光度法：雾化器中雾化，在火焰中，元素由离子态原子；,原子发射光谱分析：试样喷入火焰；,详细内容在相关章节中介绍。,56,4. 检测器,（1）光检测器,主要有以下几种：,硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、半导体检测器；,（2）热检测器,主要有：,真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种；,热释电检测器：,5. 信号与数据处理系统,现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信号处理、数据分析、结果打印，工作站软件系统；,57,