光学分析法导论

梳理光学分析法的共同点、原子光谱与分子光谱异同、物质与光的相互作用等相关知识点，供需要的同学参考

光学分析法导论

• 概述
  • 光分析法
    • 基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法；
  • 光学分析法的共同特点
    • 一束光（能量）照在需要测定的物质上，这束光就可能发生某种改变，通过测定这种光的改变或新产生的光，使得人们了解待测物质的信息。
  • 分类
    • 按辐射源
      • 氢火焰 Hydrogen flame
        • 原子吸收光谱Atomic absorption spectrometry（AAS）
      • 电弧Arc、电火花Spark
        • 原子发射光谱Atomic emission spectrometry （AES）
      • 紫外可见光Ultraviolet visible light
        • 紫外可见光谱Uv-Vis spectrometry
      • 红外光infrared light
        • 红外光谱IR
    • 按对象
      • 原子Atom
        • 原子光谱Atomic spectra
      • 分子molecular
        • 分子光谱Molecular spectra
    • 按原理
      • 吸收absorption
        • 吸收光谱absorption spectra
      • 发射emission
        • 发射光谱emission spectra
      • 散射scattering
        • 拉曼光谱raman spectra
• 电磁辐射和电磁波谱
  • 波动性 Wave properties
    • 可用波长(wavelength, λ )、频率(frequency, ν )和波数(wavenumber, σ)来描述。
    • 波动性可以解释的问题:
      • 光的传播，反射，衍射，千涉，折射，透射等
    • 波动性无法解释的问题:
      • 电磁辐射的发射和吸收?
      • 光电效应中发射电子的能量取决于光的波长（光的能量)而与光强度无关?
    • 基本概念
      • 单色光---只含一种频率或波长的光。
      • 复合光---含多种频率或波长的光。
      • 散射光(杂散光)---指定波长外的光。
  • 粒子性 Particular properties
    • 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
      • • 普朗克认为：物体只能按hv的整数倍一份一份地吸收或释出光能，即光作用与物体时能量的传递是量子化的。
        • 爱因斯坦认为：E=hv，光子能量与频率成正比，与波长成反比，与光的强度无关，光的强弱只表明光子的多少，而与每个光子的能量无关。
  • 电磁波谱
    • 电磁辐射按照波长（或频率、波数、能量）大小顺序排列就得到电磁波谱。
    • 分区
      • 高能辐射区
        • λ10nm＜
        • E＞124eV
        • 宇宙射线、γ射线、X射线
        • 粒子性突出
          • 能谱分析
            • X射线衍射分析
            • XPS
            • 穆斯堡尔谱
      • 中能辐射区
        • 1mm＞λ＞10nm
        • 10^2eV＞E＞10^-3eV
        • 紫外区、可见区、红外区
        • 光学光谱区
          • 光谱分析
            • UV-Vis
            • IR
            • AAS
      • 低能辐射区
        • λ＞1mm
        • E＜10^-3eV
        • 微波、视频区
        • 波谱区
          • 波谱分析
            • NMR
            • ESR
• 电磁辐射与物质的相互作用
  • 物质和光的相互作用
  • 物质散射光的过程 Scattering
• 光学分析法分类
• 原子光谱和分子光谱
  • 基本概念 Basic concepts
    • 基态 (ground state)：
      • 通常，原子核外电子遵从能量最低原理、包利（Pauli）不相容原理和洪特（Hund）规则，分布于各个能级上，此时原子处于能量最低状态。
    • 激发态 (excited state )：
      • 原子中的一个或几个电子由基态所处能级跃迁到高能级上，这时的原子状态是高能态；
    • 激发 (excite)：
      • 原子由基态转变为激发态的过程。
      • 激发需要能量，此能量称为激发能(Excitation energy)，常以电子伏特（eV）表示，也称为激发电位(Excitation potential)。
    • 能级跃迁 (Energy level transition )：
      • 原子激发态是不稳定态，大约只能存在10^-8s～10^-10s，电子将随即返回基态。原子中电子受激向高能级跃迁或由高能级向低能级跃迁均称为电子跃迁或能级跃迁。
      • 跃迁方式
        • 辐射跃迁(Radiative transition)：跃迁过程中多余的能量即跃迁前后能量差以电磁辐射的方式放出。
        • 无辐射跃迁(Nonradiative transition)：若多余的能量转化为热能等形式。
    • 禁戒跃迁 (Forbidden transition)：
      • 不符合光谱选律的跃迁。
      • 亚稳态 (Metastable state)：
        • 若两谱项之间的跃迁为禁戒跃迁则处于较高能级的原子具有较长的寿命，比较稳定。原子的这种状态为亚稳态。
    • 共振线 (Resonance line )：
      • 凡是涉及基态能级跃迁所产生的谱线。
    • 第一共振线 (First resonance line )：
      • 第一激发态能级与基态能级之间的跃迁所产生的谱线。(一般是原子最强的谱线)
  • 原子能级间的跃迁
    • △E=1~20eV
    • 电子能级间的跃迁，属电子光谱，线状谱
      • 基于原子外层电子跃迁
        • AAS、AES、AFS
      • 基于原子内层电子跃迁
        • XFS（X射线荧光光谱）
      • 基于原子核与射线作用
        • 穆斯堡尔谱
  • 分子的能级及电子在能级间的跃迁
    • • 带状谱
    • 分子形成带状谱的原因
      • ① 能级之间的能量间距非常小，导致跃迁所产生的谱线非常多，间距非常小，易于重叠。
      • ② 色散元件难以将谱线完全分开。
  • 原子光谱和分子光谱的比较
• 光谱仪
  • 作用:
    • 通过分析过程的信号传递,取得样品的真实光谱，从而对待测的物质加以分析。
  • 基本构成:
    • ① *: 光源 light source
    • ② △: 单色器 Monochromator
    • ③ □: 样品池 Sample cell 或⊙: 原子化器 Atomizer
    • ④ ◎: 检测器 Detector
    • ⑤ ∽: 信号转换、处理器 Signal converter, processor
    • ⑥ ■: 显示器 Display
  • 基本模式