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第二章光学分析方法导论
一、电磁辐射的描述
1. 光的波动性
2. 光的粒子性
二、电磁波谱
三、光谱仪器及其组成
1. 光源
2. 分光系统(棱镜和光栅、狭缝、光谱仪结构)
3. 吸收池
4. 光谱分析检测器
光学分析方法:
利用光电转换或其它电子器件测定“辐射与物质相互作用”之后的辐射强度等光学特性,进行物质的定性和定量分析的方法。
历史上,此相互作用只是局限于电磁辐射与物质的作用,这也是目前应用最为普遍的方法。现在,光谱方法已扩展到其它各种形式的能量与物质的相互作用,如声波、粒子束(离子和电子)等与物质的作用。
一. 电磁辐射的描述
 1. 光的波动性
电磁辐射为正弦波(波长、频率、速度、振幅)。与其它波,如声波不同,电磁波不需传播介质,可在真空中传输。
磁场
传播方向
电场
单光色平面偏振光的传播
y = A sin(t + ) = A sin(2vt + )
y
t
1/1
1/1
1/()
频率相同的正弦波叠加得相同频率的合成正弦波
频率不同的正弦波叠加得不同频率的非正弦波;更多的正弦波叠加可形成方波
1)波的叠加(Superposition)




平行光束
单缝衍射
双缝衍射
2)光波的衍射(Diffraction)
衍射:当一束平行光通过窄的开口如狭缝时发生弯曲的现象。
3)  光的干涉(Coherent interference)
4)  光的传输(Transmission)
5)  光的反射(Reflection)
6)  光的折射(Refraction)
7)光的偏振(Polarization)
8)光的散射(Scattering)
丁达尔散射(Tyndall):
大分子(如胶体粒子和聚合物分子)尺寸与光的波长相近时所产生的散射现象,此时散射光极强(与2成反比),可以肉眼观察到。
瑞利散射(Rayleigh):(弹性碰撞, 方向改变,但不变)
当分子或分子集合体的尺寸远小于光的波长时所发生的散射现象。散射光强与光的波长的4、散射粒子的大小和极化率成反比。
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拉曼散射(Raman):(非弹性碰撞,方向及波长均改变)
光照导致的分子内振动能级跃迁而产生的分子极化过程。分子极化率越大,Raman散射越强。
2. 光的粒子性
当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时,就会发生能量跃迁。此时,电磁辐射不仅具有波的特征,而且具有粒子性,最著名的例子是光电效应现象的发现。
1)光电效应(Photoelectric effect)
现象:1887,Heinrich Hetz(在光照时,两间隙间更
易发生火花放电现象)
解释:1905,Einstein理论,E=h
证明:1916,Millikan(真空光电管)
2)  能态(Energy state)
量子理论(Max Planck,1900):
物质粒子总是处于特定的不连续的能量状态,即能量是量子化的;处于不同能量状态粒子之间发生能量跃迁时的能量差E 可用 h表示。
两个重要推论:
物质粒子存在不连续的能态,各能态具有特定的能量。当粒子的状态发生变化时,该粒子将吸收或发射完全等于两个能级之间的能量差;
反之亦是成立的,即E =E1-E0=h
电子或者其它基本粒子
原子,离子,分子
轰击
原子*, 离子*,分子*
原子,离子,分子
X
激发
激发态
基态
基态
能量
发射
电弧,火花,火焰, ICP
原子,离子,分子
原子*,离子*,分子*
原子,离子,分子
UV,VIS,IR
激发
激发态
基态
基态
能量
发射
电磁辐射或者化学反应
原子,离子,分子
光(一次光)
原子*, 离子*,分子*
原子、离子、分子
荧光(二次光)
激发
激发态
基态
基态
能量
发射
3)电磁波的发射—光谱图
AES
X-ray
AFS,
MFS,
XFS
产生的辐射通称为发射光谱,以辐射能对辐射频率或波长作图可得到发射光谱图:
H2-O2火焰中海水的发射光谱图