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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,*,优秀课件，精彩无限！,*,第二节,光谱法仪器与,光学器件,第二章,光谱分析法导论,an introduction to optical analysis,instruments for spectro-metry and optical parts,2024/11/19,1,优秀课件，精彩无限！,第二节 第二章 光谱分析法导论 an introduc,一、光谱分析仪器原理和基本结构,1,、光谱分析仪器原理,例：紫外,-,可见吸收光谱,-,朗伯比耳定律,2024/11/19,2,优秀课件，精彩无限！,一、光谱分析仪器原理和基本结构2023/9/222优秀课件，,2,、,光谱分析仪器基本结构,（,1,）光源,(,辐射源,),；,（,2,）色散元件,(,单色器,),；,（,3,）盛装样品的容器；,（,4,）检测器或换能器；,（,5,）信号处理器或读出装置,(,显示与数据处理,),main parts of spectrometry,2024/11/19,3,优秀课件，精彩无限！,2、光谱分析仪器基本结构main parts of spec,2024/11/19,4,优秀课件，精彩无限！,2023/9/224优秀课件，精彩无限！,二、光源系统,-,要求有足够的输出功率以便容易检测和测定,.,有足够的稳定性,.,在仪器设计中,常将光源发出的光分为二束,一束通过试样,另一束不通过试样,测量两束光信号比作为分析的变量,用以克服光源稳定性带来的问题,.,差值,A,光源,单色器,吸收池,检测器,显示,光束分裂器,2024/11/19,5,优秀课件，精彩无限！,二、光源系统-要求有足够的输出功率以便容易检测和测定.有足,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：,1,、连续光源,：,应用于紫外,-,可见吸收，分子荧光、分子磷光、红外吸收光谱中。,能,在较大波长范围提供,连续波长,的光源,如：氢灯、氘灯、钨丝灯等,在紫外光区最普通的光源是氢灯或氘灯,.,需要特别强的光源时,选用高压、充有氩气、氦气或汞蒸气的充气弧灯,.,可见光区,采用钨丝灯,.,红外光源,采用将惰性固体加热到,1500-2000K,2024/11/19,6,优秀课件，精彩无限！,依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、,2024/11/19,7,优秀课件，精彩无限！,2023/9/227优秀课件，精彩无限！,2,、线光源,应用于原子吸收、原子荧光以及拉曼光谱中,提供,特定波长,的光源，常见的有：金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、无极放电灯等；,紫外和可见光区,-,汞蒸气灯和钠蒸气灯,原子吸收和原子荧光光谱,-,空心阴极灯和无极放电灯,2024/11/19,8,优秀课件，精彩无限！,2、线光源应用于原子吸收、原子荧光以及拉曼光谱中2023/,空心阴极灯,阴极:钨棒作成圆筒形，筒内熔入被测元素,阳极:钨棒装有钛,锆,钽金属作成的阳极,管内充气：氩或氖称载气，极间加压500-300伏，要求稳流电源供电。,2024/11/19,9,优秀课件，精彩无限！,空心阴极灯阴极:钨棒作成圆筒形，筒内熔入被测元素2023/,空心阴极灯的原理,施加适当电压时，使阴极表面的金属原子溅射出来，溅射出来的金属原子与电子、惰性气体原子及离子发生撞碰而,被激发,，,发射出相应元素的特征谱线-共振谱线。,用不同待测元素作阴极材料，可制成相应空心阴极灯。,2024/11/19,10,优秀课件，精彩无限！,空心阴极灯的原理 施加适当电压时，使阴极表面的金属原子溅,3,、激光光源,高单色性，方向性强，亮度高，相干性好,拉曼光谱，分子吸收光谱，发射光谱，傅立叶变换红外光谱等,2024/11/19,11,优秀课件，精彩无限！,3、激光光源高单色性，方向性强，亮度高，相干性好2023/,三、波长选择系统,2024/11/19,12,优秀课件，精彩无限！,三、波长选择系统2023/9/2212优秀课件，精彩无限！,色散元件的功能：,使光发生色散，使光按照波长顺,序排列，常用光栅或棱镜,狭缝的功能：,采光，即采集按照波长顺序排列的而,一定波段的光进入检测系统进行检测,狭缝的选择,:,一般来说,狭缝越小，光谱的分辨率越高,越接近真实光谱,.,但狭缝太小光信号太弱,检测器难以有效测到光信号,.,所以,如果需要得到高分辨率光谱,可以采用较小宽度的狭缝,.,如果进行定量测定,则适当采用较大宽度的狭缝,.,2024/11/19,13,优秀课件，精彩无限！,色散元件的功能：使光发生色散，使光按照波长顺 2023/9,（一）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,线传播的透镜或反射镜,（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；,（,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,2024/11/19,14,优秀课件，精彩无限！,（一）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。,棱镜单色仪,用来色散紫外、可见和红外辐射,2024/11/19,15,优秀课件，精彩无限！,棱镜单色仪用来色散紫外、可见和红外辐射2023/9/221,光栅单色仪,有透射光栅和反射光栅。,2024/11/19,16,优秀课件，精彩无限！,光栅单色仪有透射光栅和反射光栅。2023/9/2216优秀,(,二,),滤光片,1,、吸收滤光片,-,由有色玻璃或夹在玻璃两片间的分散在明胶薄层中的吸光染料组成。适用于可见光区。,特点：带宽较宽，透射效率低。用于较简单的定量测定，便宜，较好的热稳定性。,2,、干涉滤光片,-,由两层半透明银膜和银膜间的介电薄膜（氟化钙或氟化镁）组成。,可获得较窄的辐射宽带。,波长选择性比吸收滤光片好。,2024/11/19,17,优秀课件，精彩无限！,(二)滤光片2023/9/2217优秀课件，精彩无限！,（三）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；,2024/11/19,18,优秀课件，精彩无限！,（三）棱镜根据光的折射现象进行分光 棱镜对不同波长的,棱镜的,光学特性,可用,色散率,和,分辨率,来表征；,（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；,2024/11/19,19,优秀课件，精彩无限！,棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；（1）色散率,（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。,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,。,2024/11/19,20,优秀课件，精彩无限！,（2）分辨率 相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：,（四）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（平面反射光栅，凹,面反射光栅）；,2024/11/19,21,优秀课件，精彩无限！,（四）光栅 通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、等,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,；,2024/11/19,22,优秀课件，精彩无限！,光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共,(1)光栅的色散原理,光栅公式,：,d,(sin,sin,)=,K=n,、,分别为入射角和衍射角；,K,或,n,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,为入射光的波长,2024/11/19,23,优秀课件，精彩无限！,(1)光栅的色散原理光栅公式：d(sinsin)=K,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。,2024/11/19,24,优秀课件，精彩无限！,光栅公式 d(sinsin)=K2023/9/2,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。,2024/11/19,25,优秀课件，精彩无限！,在某一光谱级次中，即当K,d一定时，波,（,2,）几种典型的光栅,A,、凹面反射光栅,B,、闪耀光栅,C,、中阶梯光栅,D,、全息光栅,2024/11/19,26,优秀课件，精彩无限！,（2）几种典型的光栅2023/9/2226优秀课件，精彩无限,(,3),光栅的性能指标,光栅的特性可用,色散率,和,分辨率,来表征,A,、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,。可见,光栅的角色散率为一个,常数，不随波长改变，,是,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。,2024/11/19,27,优秀课件，精彩无限！,(3)光栅的性能指标 光栅的特性可用色散率和,B,、光栅的,线色散率,f,为会聚透镜的,焦距,。,在实际工作中，常用倒线色散率,：用,d/d,l,表示,d/d,l,值越大，色散率越小,线色散率还与仪器的焦距有关。,D=,2024/11/19,28,优秀课件，精彩无限！,B、光栅的线色散率 f 为会聚透镜的焦,C,、光栅的,分辨能力,光栅的分辨能力根据,Rakleigh,准则来确定。,在波长相近的两条谱线中，当一条谱线波长的极大值正好落在另一条谱线波长的极小值上时，认为这两条线是可分辨的。,实际工作中，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）；,2024/11/19,29,优秀课件，精彩无限！,C、光栅的分辨能力 在波长相近的两条谱线,D,、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=610,4,2024/11/19,30,优秀课件，精彩无限！,D、光栅的分辨率R 光栅的分辨率R 等于光谱级次（,（4）光栅与棱镜的比较,作为色散元件,光栅比棱镜要好：,光栅的色散几乎与波长无关,在相同色散率时，光栅的尺寸要小,光栅对棱镜不适用的远紫外远红外区可以用,光栅的杂散辐射，高级光谱干扰等问题已经可以解决,比较高的光栅价格已经降下来,（5）光栅光谱与棱镜光谱的比较,1、光栅光谱为匀排光谱，棱镜光谱为非匀排光谱（短波疏，,长波密）,2、光栅光谱分级，棱镜光谱不分级,2024/11/19,31,优秀课件，精彩
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