物质成份的光谱分析

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1、物质成份的光谱分析孙　梅sunmei@ustc.edu.cn63602811（办公室）第一章光谱分析基础知识1.1基本概念光学分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。1．电磁辐射电磁辐射是高速通过空间的光子流，通常简称为光，它具有二象性，即波动性和粒子性。波动性表现在光的折射、衍射和干涉等现象；粒子性表现在光电效应等现象。每个光子的能量（EL）与其频率（）、波长（）及波数（）之间的关系为EL=h=hc/=hc式中：h为普朗克常数（Planckconstant），其值为6.62610-34Js;c为光速，其值

2、31010cms-1；为波数（wavenumber），其单位为cm-1；为波长（wavelength），单位为cm。由上式可知：电磁辐射的波长越短，其光子的能量越高。普朗克认为：物质对辐射能的吸收和发射是不连续的，是量子化的。当物质内的分子或原子发生能级跃迁时，若以辐射能的形式传递能量，则辐射能一定等于物质的能级变化，即E=EL=h=hc/[例]：某电子在能量差为3.37510-19J的两能级间跃迁，其吸收或发射光的波长为多少纳米？解：根据上式，有=hc/E=6.62610-34Js31010cms-1/3.37510-19J=5.89

3、10-5cm=589nm2.电磁波谱将各种电磁辐射按照波长或频率的大小顺序排列起来即称为电磁波谱。各波谱区所具有的能量不同，其产生的机理也各不相同。表1-1列出了电磁波谱区的波长范围和相应能量及跃迁能级类型。表1-1电磁波谱波谱区名称波长范围a光子能量b/J跃迁能级类型射线510-3~0.14nm4.010-13~1.310-15核能级射线0.01~10nm1.910-13~2.010-17内层电子能级远紫外区10~200nm2.010-17~9.610-19同上近紫外区200~400nm9.610-19~5.010-19原子及分子价电子或成键

4、电子能级可见区400~760nm5.010-19~2.710-19同上近红外区0.75~2.5m2.710-19~8.010-20分子振动能级中红外区2.5~50m8.010-20~3.210-21同上远红外区50~1000m3.210-21~6.810-23分子转动能级微波区0.1~100cm6.810-23~6.410-26电子自旋及核自旋射频区1~1000m6.410-26~6.410-29同上a.1m=102cm=106m=109nm;b.1eV=1.602010-19J。3.单色光、复合光和互补色光（1）单色光：具有同一波长

5、（或频率）的光称为单色光。（2）复合光：由不同波长的光组合而成的光称为复合光。单色光很难从光源获得，多数光源如：太阳、白炽灯和氢灯等发出的光都是复合光，通过适当的手段可以从复合光中获得单色光。人的眼睛对不同光的感受不一样。凡是能被肉眼感受到的光称为可见光，可见光的波长范围为400~760nm。凡是超出此范围的光，人的眼睛感觉不到。可见光范围内，不同波长的光会让人感觉到不同的颜色。（3）互补色光：如果把适当颜色的两种光按一定强度比例混合也可得到白光，这两种颜色的光称为互补色光。表1-2列出了各种颜色对应的互补色。表1-2不同颜色可见光的波长及其互补色波长/nm400~4

6、50450~480480~490490~500500~560560~580580~610610~650650~780颜色紫蓝绿蓝蓝绿绿黄绿黄橙红互补色黄绿黄橙红红紫紫蓝绿蓝蓝绿（4）物质颜色的产生当一束白光照射到固体物质时，物质对于不同波长光的吸收、透过、反射和折射程度不同，从而使物质产生不同的颜色。如果对各种波长的光都完全反射即没有光的吸收，则呈白色；如果物质选择性吸收了某些波长的光，则呈现的颜色与其反射或透过的光的颜色有关。溶液呈现的颜色是由于溶液中的粒子（分子或离子）选择性吸收白光中的某种颜色的光而产生的。如果各种颜色的光透过的程度相同，则溶液无色透明；如果吸收

7、了某种波长的光，则溶液呈现的是它吸收的光的互补色。例如：硫酸铜溶液因为吸收了白光中的黄色而呈现蓝色；高锰酸钾溶液因吸收了白光中的绿色而呈现红紫色。物质呈现的颜色与吸收光的对应关系可通过下图简单描述。如果物质分子吸收的是其它波段的光（非可见光）时，则不能用颜色来判断物质微粒是否吸收光子。1.2光谱分析法概述1．光谱的定义广义：各种电磁波辐射都叫做光谱。自然界的一切物质可以与各种频率的电磁波辐射发生相互作用，这种作用表现为对光的吸收或吸收光后再发射出各种波长的光，这取决于各自的特殊物质结构。根据各种不同的物质吸收或者发射出某一特征频率的光信号及信号强度