E hν hc hcν λ
E单位：电子伏（eV）或焦耳（J） h －普朗克常数，h＝6.626×10-34 J·s-1； C为光速。
例：波长为200nm的电磁波，其能量是多少电子伏特（eV）？ 解：
电磁波谱
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二、电磁辐射与物质相互作用
电磁辐射与物质的相互作用是复杂的物理现象。 涉及能量变化：吸收、发射； 不涉及能量变化：反射、散射、折射、衍射。
第二章 光谱分析法概论
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本章主要内容：
一、电磁辐射及其与物质的相互作用 二、光学分析法的分类 三、光谱分析仪器
概述
光学分析法是基于电磁辐射与物质相互作用后，电磁辐 射发生某些变化或被作用物质的某些性质发生改变而产 生各种信号，利用这些信号对物质的性质、组成及结构 进行分析的一种方法。
光学分析法的原理主要包含三个过程： （1）能源提供能量； （2）能量与被测物质相互作用； （3）产生被检测的信号。
3
第一节 电磁辐射及其与物质的相互作用
4
电磁辐射的性质：波粒二象性
1.波动性
电磁辐射的传播以及反射、折射、散射、衍射及 干涉等现象表现出电磁辐射具有波的性质。
图2-1 电磁波的传播
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波动性参数描述
（1）周期 T 相邻两个波峰或波谷通过某一固定点所需要的时间间隔称为周期。单 位:s(秒)。
（2）频率ν 单位时间内电磁波振动的次数称为频率。单位：Hz或周/秒。 ν ＝1/T
范围的谱带。
2.组成：
单色器
入射狭缝 色散元件 准直镜
棱镜 光栅
分光系统
出射狭缝
滤光器
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（1）狭缝 狭缝为光的进出口， 狭缝宽窄直接影响分 光质量。狭缝过宽， 单色光不纯，将使吸 光度变大；过窄，则 通光量变小，灵敏度 降低。因此狭缝宽度 要适当。
分光系统 a.棱镜分光系统 b.光栅分光系统
（2）棱镜
2019/10/25
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石英比色皿
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红外光谱仪
红外灯
玛瑙研钵
压片机
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3.原子吸收分光光度法：利用待测元素气态基态 原子对共振线吸收，导致原子的外层电子发生能级 跃迁所形成的吸收光谱。主要用于定量分析，可用 于药物中微量及大量元素的含量测定。
4. 核磁共振波谱法：在外磁场作用下，自旋核的核 磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级， 产生自旋能级差。在无线电波的照射下，吸收能量 发生核自旋能级跃迁所形成的的吸收光谱。可用于 中药化学成分、新药研发、分子的动态效应、氢键 形成及互变异构反应等方面的研究。
检流计
记录仪 数字显示器 计算机
Thyoaunk
End
2.红外分光光度法：利用分子或基团吸收红外光， 产生基团中化学键的振动能级跃迁或分子的转动能 级跃迁所形成的吸收光谱，可用于物质的定性鉴别、 纯度检查、结构分析和反应进程判断等。
分子内部运动与能级
分子内部运动形式包括以下几种：
1.电子运动-电子绕原子核作相对运动；
Ee 电子能
2.分子振动-整个分子在平衡位置作振动运动；
原 子 发 射
原原 子子 吸荧 收光
X 射 线 荧 光
原子光谱法
吸收光谱法
原紫红核 子外外磁 吸可可共 收见见振
光谱分析法
紫红分分核化 外外子子磁学 可可荧磷共发 见见光光振光
分子光谱法
发射光谱法

原 子 发 射
原 子 荧 光
分 子 荧 光
分 子 磷 光
X 射 线 荧 光
化 学 发 光
常用光谱分析仪器 紫外-可见分光光度计 原子吸收分光光度计 红外光谱仪 原子发射光谱仪 荧光分析仪 原子荧光分析仪等
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折射、反射、透射
干涉
衍射
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第二节 光学分析法的分类
不涉及物质内部能量 跃迁，只改变传播方 向， 速度等物理性质
非光谱分析法
光学分析法 光谱分析法
物质内部发生 量子化的能级 之间的跃迁
X
折 射 法
偏 振 法
射 线 衍 射
干 涉 法
旋 光 法
法
原分 子子 光光 谱谱 法法
吸发 散 收射 射 光光 光 谱谱 谱 法法 法
第三节 光谱分析仪器
光谱分析仪器基本组成 光谱仪：研究吸收、发射的电磁辐射强度和波长关系的仪器。
辐射源
分光系统
试样容器
信号处理与显示装置
检测器
一、辐射源
要求（1）有足够的输出功率，即强度大
（关系到检测灵敏度）；
（2）稳定性（关系到定量分析的重现性）。
光源
连续光源 线光源
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1.连续光源：发射的辐射波长范围比较宽，在较大范围提供连续 波长的光源。 （1）紫外光源：氢灯、氘灯 （2）可见光源：钨灯或氙灯 （3）红外光源：硅碳棒、Nernst灯 连续光源一般用于分子吸收光谱。
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四、检测器
检测器
单道光子检测器 量子化检测器
多道光子检测器
热检测器
单道光子检测器包括光电池、光电管、光电倍 增管等。
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光电池
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光电管
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光电倍增管
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五、信号处理器和显示装置
现代光谱分析仪器大多采用计算机及相应的工作站 软件作为信号处理和显示装置。
由检测器将光信号转换成电信号后进行显示和记录 结果。
依据光的折射现象进行分光；由玻璃或石英制成。
棱镜色散
（3）光栅
是一种在高度抛光的表面上刻有许多等刻度、等距离的平行条
痕狭缝的色散元件。利用复色光通过条痕狭缝反射后，产生衍
射和干涉作用，使不同波长的光有不同的投射方向而起到色散
作用。
透射光栅
167
光
250
栅 反射光栅
投射光
平面反射光栅 凹面反射光栅
（3）波长λ 相邻两个波峰或波谷之间的距离。 单位：m、cm、μ m或nm。
（4）波数 每厘米长度内含有的波长数目，即波长的倒数。单位：cm-1
在真空中，波长和频率的关系式 λ＝c／ c：电磁波传播速度 (3.0×1010cm·s-1)；λ：波长；ν：频率。
2.粒子性
光具有粒子性，表现在电磁辐射与物质相互作用所产生的 吸收和发射现象时，物质所吸收或发射的辐射能量是不连 续的能量微粒，是由光子或光量子所组成的。光的微粒性 用每个光子具有的能量E作为表征。
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原子吸收分光光度计
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核 磁 共 振 波 谱 仪
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核磁共振在医学上 的应用
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（二）发射光谱法
物质通过电致激发、热致激发或光致激发等过程获得能量，变为激发态原子 或分子M* ，激发态原子或分子极不稳定，可能以不同形式释放出能量，从激 发态回到低能态或基态。 跃迁是以辐射形式释放多余的能量就产生发射光谱。
利
以太阳光谱中波长较短
散
的蓝紫光比波长较长的
射
红光散射更明显。
在雨过天晴或秋高气爽 时（空中较粗微粒比较 少，以分子散射为主）， 在大气分子的强烈散射 作用下，蓝色光被散射 至弥漫天空，天空即呈 现蔚蓝色。
折射和反射：当光从介质1照射到介质2的界面时，一 部分光在界面上改变方向返回介质1，称为光的反射； 另一部分光则改变方向，以一定的角度进入介质2， 称为光的折射。 干涉：频率相同、振动相同的波源发射的波相互叠加 时产生干涉现象。 衍射：光绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象。
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丁 达 尔 散 射
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分子散射
瑞利散射：光子与介质分子之间发生弹性碰撞，碰撞 过程中没有能量交换，光的频率不变，仅光子的运动 方向发生改变。
拉曼散射：光子与介质分子之间发生非弹性碰撞，相 互之间有能量交换，光的频率发生变化。
瑞利散射可以解释天空为什么是蓝色的?
瑞
由于瑞利散射的强度与 波长四次方成反比，所
光谱分析法
（一）吸收光谱法
当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子
或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足△E = hv 的
关系时，将产生吸收光谱。
通过测量物质对辐射吸收的波长和强度进行分析的方 法，称为吸收光谱法。
1.紫外-可见分光光度法：利用溶液中分子或基团对 紫外光或可见光的吸收，产生分子外层电子能级跃 迁所形成的吸收光谱，可用于定性、定量分析及部 分官能团的判断。
平动能的能级差很小，近似地看成能量变化是连续的。
分子能级 电子能级 振动能级 转动能级
能级差△E 1--20 ev 0.05--1 ev 0.05-0.005ev
能量变化--量子化
△E转动＜△E振动＜△E电子
分子的能级及电子在能级间的跃迁示意图
比色皿室
液晶显示屏
氘灯钨灯室
操作 键盘
岛津UV1700紫外可见分光光度计
通过测量物质的发射光谱的波长和强度进行定性和定量分析的方法叫做发射 光谱法。主要有原子荧光分析法、分子荧光分析法和分子磷光分析法。
（三）散射光谱法（了解）
散射光谱法主要是以拉曼散射为基础的拉曼散射光谱法。
发生拉曼散射时，散射光的频率与入射光的频率之差， 称为拉曼位移。 拉曼位移的大小与分子的转动和振动能级有关，利用拉 曼位移研究物质结构的方法称为拉曼光谱法。
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（1）如果入射的电磁辐射的能量与物质中分子、原子的基态
与激发态之间的能量差相等： 吸收：物质选择性地吸收部分辐射能 ，基态→激发态 发射：处于激发态的分子或原子释放能量 ，激发态→基态
释放能量的形式：荧光、磷光
满足△E=h
吸收
高能态（激发态）Ei 发射
h
h
低能态（基态）E0
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（2）如果入射的电磁辐射的能量与基态和激发态间的能量差 不相等，则电磁辐射不被吸收，而产生光的透射、反射、折射 等物理现象。 散射：光通过介质时会发生散射，可分为丁达尔散射和分子 散射。 丁达尔散射：当被照射粒子的直径等于或大于入射光波长(d≥λ) 时所发生的散射。 分子散射：当被照射粒子的直径小于入射光波长(d＜λ)时所发 生的散射。