光学分析方法.ppt

1、光学分析方法：通过使用光电转换或其他电子设备测量光学特性，如电磁辐射与物质相互作用后的辐射强度，对物质进行定性、定量和结构分析的方法。历史上，这种相互作用仅限于电磁辐射和物质之间的相互作用，这也是目前使用最广泛的方法。现在，光谱方法已经扩展到能量和物质之间相互作用的其他形式，如声波、粒子束(离子和电子)等。3)光的相干干涉当频率相同、振动方向相同、周向相位相等或周向相位差恒定的波源发出的相干波相互叠加时，就会产生波干涉。通过干涉现象，你可以得到明暗条纹。4)光的折射5)光的反射6)光的透射7)光的偏振8)光的散射2。光的特殊性当物质发出电磁辐射或电磁辐射被物质吸收时，就会发生能量转换。这时，电

2、磁辐射不仅具有波的特性，还具有粒子的特性。最著名的例子是光电效应的发现。1)光电效应现象：1887，海因里希海茨(在光照下两个间隙之间更容易发生火花放电)解释：1905，爱因斯坦理论，E=h证明：1916，密立根(真空光电池)，2)能态量子理论(马克斯普朗克)不同能态的粒子之间发生能量跃迁时的能量差E可以用H表示。两个重要的推论：物质粒子中存在不连续的能态，每个能态都有特定的能量。当一个粒子的状态改变时，该粒子将吸收或发射完全等于两个能级之间的能量差的能量；相反，E=E1-E0=h，光学分析及其分类，光学分析可以分为两类：光谱分析和非光谱分析。光谱学是一种基于测量发射、吸收或散射辐射的波长和强

3、度的分析方法，当物质与辐射能相互作用时，这些辐射是由物质中量子化能级之间的跃迁引起的。光谱学可以分为原子光谱学和分子光谱学。原子光谱学是由原子外层或内层的电子能级变化产生的，其表现形式是线谱。原子发射光谱法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、x光荧光光谱法(XFS)等。分子光谱学是由分子中的电子能级、振动能级和旋转能级的变化而产生的，其表现形式是带谱。分析方法有紫外-可见分光光度法、红外光谱法、分子荧光光谱法和分子磷光光谱法。非光谱学是一种基于物质与辐射相互作用的分析方法，它测量辐射的某些性质的变化，如折射、散射、干涉、衍射和偏振。本章主要介绍光谱学。根据电磁辐射与物质相互作用的结果，可以产生三

4、种光谱，即发射光谱、吸收光谱和联合散射光谱。3.光谱成分谱线：由气相中单个原子的电子能级跃迁产生的锐谱线宽度约为10 4A。带谱):是由气态自由基或小分子的振动-旋转能级跃迁产生的谱。因为能级之间的能量差很小，所以产生的谱线难以区分，并形成带宽为几个至几十纳米的所谓的带谱)；当一个固体被加热到高温状态时，无数原子和分子的运动或振动所产生的热辐射也称为黑体辐射。背景干扰通常会发生。温度越高，辐射越强，短波长的辐射强度增加最快！另一方面，热固体产生的连续辐射是一种重要的红外、可见光和长波辐射源(光源)。拉曼散射当频率为0的单色光照射透明物质时，物质的分子会散射。如果这种散射是光子和物质分子之间的能

5、量交换，即不仅光子的运动方向发生变化，其能量也发生变化，这种散射称为拉曼散射。散射光的频率(m)不同于入射光的频率(m)，这被称为拉曼频移。拉曼位移的大小与分子振动和旋转的能级有关，利用拉曼位移研究材料结构的方法称为拉曼光谱。2.波长选择器的定义：将不同波长的“复合光”分离成一系列“单一”波长的“单色光”的装置。不可能获得理想的100%单色光。实际上，只能获得具有一定“纯度”的单色光，即单色光具有一定的宽度(有效带宽)。有效带宽越小，分析的灵敏度和选择性越高，分析物浓度和光响应信号之间的线性相关性越好。棱镜特征色散比：角色散比d/d，表示偏转角随波长的变化。在最小偏转角度(折射线平行于棱镜底部

6、边缘)，可以得出结论，可见角色散与折射率n和棱镜顶角有关。因此，增加角色散d/d有三种方法：改变棱镜材料，玻璃的折射率大于应时，但玻璃只适用于可见光区；增加棱镜顶角，选择600；增加棱镜的数量，但是由于设计和结构上的困难，最多使用两个棱镜。线性色散率dl/d或反向色散率d/dl:它表示焦平面上两条谱线之间的距离相对于波长的变化率。可以看出，线性色散率不仅与角色散率有关，还与会聚透镜的焦距f和焦平面与光轴之间的角度有关。因此，增加透镜的焦距和减小焦平面与光轴之间的角度提高了棱镜的色散能力。分辨率r:指的是将两条光谱线紧密分开的能力(瑞利准则)，它可以表示为m -棱镜的数量；B的底边有效长度(厘米

7、)可见，分辨率随波长变化，短波部分分辨率较大，即棱镜光谱有“非均匀发射”，色谱光谱有“非均匀发射光谱”。这是棱镜分裂的最大缺点。2)光栅制作：使用专用工具(如DIA)，在坚硬抛光的光学平面上雕刻大量紧密平行的凹槽。用它作为母板，可以用液态树脂在上面复制光栅。制作的光栅包括平面透射光栅、平面反射光栅(或闪耀光栅)和凹面反射光栅。光栅中容易产生散射线和鬼线，雕刻质量低。通常，划线的数量是300-2000个凹槽/毫米。最常用的是1200-1400个凹槽/毫米(紫外可见)和100-200个凹槽/毫米(红外)。1.光的干涉当频率相同、振动方向相同、周向相位相等或周向相位差恒定的波源发出的相干波相互叠加时

8、，就会产生波干涉。如果两个波之间的光程差等于波长的整数倍，两个波将最大程度地相互增强并形成亮条纹。=K (K=0，1，2)相反，当两个波之间的光程差等于半波长的奇数倍时，两个波将最大程度地相互削弱，形成暗条纹。=(2 K 1) /2 (K=0，1，2)，2。光的衍射光波绕过障碍物并在障碍物后弯曲传播的现象称为波衍射现象。如果平行光束通过狭缝AB，狭缝宽度为，入射角在角度方向上传播，并在透镜聚焦后会聚在点P，则点P和点P之间的光程差为，点P的亮度取决于光程差。对应于一定的角度，如果狭缝可以分成偶数波段(/2)，在点P会出现暗条纹。如果狭缝可以分成奇数波段，会出现亮条纹，单缝衍射、A、A、B、P0

9、、P、3。光栅可以分为透射光栅和反射光栅，当n不等于零时，衍射角或反射角随波长而变化，即不同波长的辐射经光栅反射后会在不同的空间位置发生散射，这是光栅分光的基础。平面反射光栅(闪耀光栅、小阶梯光栅):平行的狭缝被刻在形状相同的凹槽(大多是三角形)中。此时，入射光线的小反射面具有一定的夹角，反射光线集中在一个方向，使得光能集中在所需的一阶光谱上。这种光栅也称为闪耀光栅。当=，最大光强可以在衍射角方向获得，也称为闪耀角。如下图所示。狭缝宽度选择原则的定性分析：选择窄狭缝宽度可以提高分辨率，减少其他谱线的干扰，提高选择性；定量分析：选择较宽的狭缝宽度，增加照明狭缝的亮度，提高分析的灵敏度；狭缝宽度应根据样品性质和分析要求确定。最佳狭缝宽度由条件优化决定。与发射光谱分析相比，原子吸收光谱的谱线较少，因此可以采用较宽的狭缝。然而，当背景较大时，狭缝宽度可以适当减小。除发射光谱外，所有光谱分析都需要样品容器、池、比色杯吸收池。包含样品的吸收池由光学透明材料制成。应时或融合的应时：紫外线可见光区3米；玻璃：可见光区(350-2000纳米)；透明塑料：可见光区(350-2000纳米)；盐窗(氯化钠，NaBr晶体):红外区。4。光电转换器a)定义：光电转换器是一种将光辐射转换成可测量的电信号的设备。S=kP kd=kP K:校正灵敏度；p:辐射功率；Kd:暗电