光学分析法导论-2

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,*,*,第二节,光谱法仪器与光学器件,一、,光谱法仪器的基本流程,general process of spectrometry,二、,光谱仪器的基本器件,main parts of spectrometry,第二章 光分析导论,an introduction to optical analysis,instruments for,spectro-metry,and optical parts,2024/10/3,一、,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；,2024/10/3,二、,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,：在较大波长范围提供,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；,2024/10/3,2.单色器,单色器,：将复合光,分解,成,单色,光或有,一定宽度,的谱带的装置。,主要部件,：,（1）进出口狭缝；,（2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线；,（3）,色散元件,(,棱镜、光栅)：使,不同波长,的辐射以,不同,的,角度,进行传播；,2024/10/3,2024/10/3,棱镜,根据光的折射现象进行分光,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,光学特性,可用,色散率,和,分辨率,来表征,；,2024/10/3,棱镜的特性与参数,（1）色散率,角色散率,：用,d,/d,表示，表示,偏向角,对波长的变化率；,棱镜的,顶角,越大或,折射率,n,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；,2024/10/3,（2）分辨率,相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：,：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。,所以，棱镜的,分辨能力,取决于棱镜的,几何尺寸,和,材料,；,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,。,2024/10/3,光栅,通过在平板,玻璃,或,金属板,上刻划出一道道,等宽,、,等间距,的刻痕制成。常用的光栅刻痕密度每毫米为,1200,条、,1800,条或,2400,条；,根据工作方式不同分为：,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,；,2024/10/3,光栅的色散原理,光栅公式,：,d,(,sin,sin,)=,K,、,分别为入射角和衍射角；,K,为光谱级次,K,=0,1,2,整数,d,为光栅常数,(mm):,相邻两刻痕间的,距离,，即为光栅刻痕密度,b,（,mm,-1,),的倒数；,为衍射光的波长,2024/10/3,光栅公式,d,(,sin,sin,)=,K,dsin,为相邻入射光波,与,的光程差；,d,sin,为相邻衍射光波,与,的光程差；,d,(,sin,sin,),为光波,与光波,的总光程差；,加,号表示衍射光和入射光在光栅法线的,同,侧，,减,号表示它们在光栅法线的,异,侧；,当一束复合光以一定的入射角,照射光栅时，,不同波长,的单色光在,不同衍射角,的方向发生干涉。,在某一光谱级次中，即当,K,d,一定时，,波长,愈,长,的单色光，,衍射角,愈,大,。对于给定的光栅，可以通过旋转光栅转台来获得需要的波长范围和光谱级次。,2024/10/3,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,为衍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,K,，,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。,2024/10/3,光栅的,线色散率,f,为会聚透镜的,焦距,。,倒线色散率,：用,d,/d,l,表示，,d,/d,l,值越大，色散率越小,2024/10/3,光栅的,分辨能力,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）；,2024/10/3,光栅的,分辨率,R,光栅的分辨率,R,等于光谱级次（,K,）,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,。,如宽度50,mm，,N,=1200,条/,mm，,一级光谱的分辨率：,R,=1501200=610,4,2024/10/3,例,：用,dn/d,=1.3,10,-4,nm,-1,的,60,熔凝石英棱镜和刻有,2000,条,mm,-1,的光栅来色散,Li,的,460.20nm,和,460.30nm,两条谱线。试计算,（,1,）分辨率；,(2),棱镜和光栅的大小,解（,1,）棱镜和光栅的分辨率,2024/10/3,（,2,）棱镜的大小，即底边长,算出光栅的总刻痕数,N,，对于一级光谱,光栅的大小，即宽度,W,为,W=,Nd,=N/2000mm,-1,=4.610,3,/2000mm,-1,=0.23cm,2024/10/3,狭缝,单色器的,进口,狭缝起着单色器光学系统,虚光源,的作用。复合光经色散元件分开后，在,出口,曲面上形成相当于每条光谱线的,像,，即光谱。,转动,色散元件可使,不同波长,的,光谱线依次通过。,2024/10/3,分辨率大小不仅与色散元件的,性能,有关，也取决于成像的大小，因此希望采用较,窄,的进口狭缝。,分辨率,用来衡量单色器能分开,最小波长间隔,的能力；最小间隔的大小用,有效带宽,表示：,S,=,DW,D,为倒线色散率；,W,为狭缝宽度；,在原子,发射光谱,分析中，,定性,分析时，减,小,狭缝宽度，使相邻谱线的,分辨率,提高；,定量,分析时，增,大,狭缝宽度，可得到较大的谱线,强度,。,狭缝两边的边缘应,锐利,且位于,同一平面,上；,2024/10/3,3.试样装置,光源与试样相互作用的场所,（1）吸收池,紫外，,荧光分析法：,石英,比色皿,可见分光光度法：,玻璃,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。,2024/10/3,4.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；,2024/10/3,内容选择：,第一节,光分析基础,fundamental of optical analysis,第二节,原子光谱与分子光谱,atom spectrum and molecular spectrum,第三节,光谱法仪器与光学器件,instruments for spectrometry and optical parts,结束,2024/10/3,