2一2光的性后爱装与地暖的相发作闲 > 其与特质的相互作用 第∠章 一、光一电延辐射 光是一种电磁铜射（城电篮被），具有被粒二象性。光的波动性可用光的祓 光分析法导论 长A(或被数。)和复书，来描述：光的粒子性可用光量子(，称光子)的能量E 来指述。它们之间的关系差霜下式： E=kyhc/h =hour (2-1) 式中，c为光速（在真空中e=3×10m·。)话为着朗克常量(63×0“】·）。 2-1概述 式(2-1)的左W体现了光的粒子性，右端体现了光的波骑性，它把光的波粒二 象性联系和统一起来，并由此看出，不同波长的光（辐射）具有不国的能量，被长 越长（衡率，波数越低），能量感低反之，被长结短，能量超高 以物质的光学性质为基用建立的分析方法，称为光学分析法，简称光分析 电道报射按果支长的长短排列起来，称为电磁被错，根据其波长（及能量） 祛。由于它越来核广泛地应用于制理、化学、生物等领城，目非这类方法已成为 的不同，可以分为儿个不同的辐射类型或被谐区，如表2一1所示， 复器分析方法中的主要组成部分。 表2一】电藏波增的分衡 凡是基于检测能量与特别物质作用后产生的光辐射信号或所引起的变化 的分析方法，都属于光分析法，通常光分析法包括三个菇本组成每分：能源镯 区 度长(A) 额率（山 装数()/m 的量(E)/N“ 供能量并与待测物援相互作用的信号发生系统、色散系统（光谐法），信号检阁 (拉射类型) 与处理系统等。近年米，出于新材料、新器件、新技术的不新出现，大大推动了 y射线 00川-Q1am 3x10户-3×10 1×10-1×10 1.2x10-1.2x10 光分析仪器及光分析法的飞速发展，主要表现： X射线 1-10m 3×10-3×0 1×0=-1x10 1.2x10-l.2x10 (1)检的选择性和灵敏度有了很大提燕光请数学处理手段及时间分 近寒外光 t0-200m 3×t0-1,5×10 1×1g=5×10 11×10-62×10 期技术的出现，使得光分析法的选择性得到了很大的提高，目前最灵敏的激光 直空紫外是 6.2g10+3.1笑10 诱举荧光光围已达到了检测单个分子的水平。 蛋外光 200-400mL5105￥1o 5xt-25×10 可见光 400-780m2.5x0-18x0”25×10-1.3×10 3.1x10-15%10 (2)大大丰富了检测信息量，增强了多组分同时检测的能力如电荷糯合 078-2.3m3.8×0-L2x0“ 1310-4×10 1.5×10-5.0x10 阵列检测器、光电二极管阵列检斜俗及相应计算机软件的诞生为多元索组分的 臣气外类 中红外光 25-m1.2×10-6×109 4×10w2×10 50x0-25x10 同时检测提货了物质基避， 记红外光 (3)应用营围不断扩大由于光分析法在定性、定量，定结构、表面分析以 -10mm6×0*-1x10 2103-1×10 25x0-41x10 版载 0.1-100m 1x0-3×0 1×10-110 41×0*-12x10 及几偶慎型的确定方面表现的优越性，该法广泛应用于生命科学，医学，食品 化工，环境，商检、空间探素等领城。 无线电被1-100m 3x10-3×0 1×1042x10-4.2x10-1210 1w-16t0x0】或6.5u· 2-2光的性质及其与物质的相互作用 对于波长很短（小于10nm)、能量大于10V(如y射线和X射线）的电磁 被谱，粒子性比较明显，称为能推，由此建立起来的分析方法，称为堕琳分析法： 光分析法是利用光与特质的相互作用进行的，因此，有必要了解一下光及 波长大于1mm,雏童小于10'。V(如做被和无找电被)的电置被孩，波动性比
第2车光分粉法平地 ?一2无的性后没关与物质特相三作则 19 较明整，称为波造，由此建立起来的分析方法，称为被得分析法：波长及能量介 乘积戒正比，这就是光的吸欧定律，电称为朗伯一比尔(Lambert-Beee)定律。 于测者之间的电随被蒂，通常借助干光学夜器获得，称为光学光谱，由北建立起 它是段收光谧法定量分析的基础和依熙。其数学表达式为 未的分析方法，称为光学光诉分析法，简称为光谱分析法。它是一种由物质的 A=Kel 光请中提取有用的信息米稀定物质的组成、含量和结构的仪器分新方法 =/。t (2-2) 通常，物质发出的光，是包合多种频率成分的光，称为复合光。光谢分析 式中，k为比侧常数，与介质的性质，浙度及人射光波长有关，当c以m·L 中，常宫采用一定的方法获得只包含一种颗率成分的光（原单色光）来作为分析 表示，工以cm表示时，K称为原尔毁牧系数，用K表示，单位为L·m6d1· 手段。实标上，普通分新方法所获相的单色光往柱不只包合一种频半成分。单 m·,在特定的波长（成额率）及介质条件下，k是在一定翌度下光吸收物质的 色光的单色性通常用光谐线的宽度（或半究度）来表示。辩线的宠度酪窄，光请 一个特任常数，是物质光吸收饱力的量度。 线所包含的赖宰（或被长）倦越窄，表示光的单色性越好。如日光中红色光的 当受激物质（或受热能、电箜成其他外养能量所徽发的情质）从高能斋吕到 波长范阴是640-680nm,面金黑纳满气所发时的黄色光波长煮围是589.0- 低能态时，在往以光预射的形式释放出多余的能量，这种巍象称为光的发射 59.6m,光请宽度仅为0.6nm,由此可以说，钠的黄光比日光中的红光单色性 按其发生的本质，可分为部子发：，分子发射以及X射线等。 好得多。然而，普通的氢复激光器发射的被长为632.8四的红光，其宽度却只 2,光的透时，敲射和折射 有10“m,可见，散光是一种理想的单色光源。 光通过透明介质时，如果只是引起了童粒的价电子相对于原子核的撒动，它 所需要的光能，只是顾时(10“-10“)地被微粒所保留，当物质同到其原来的 二、光与物质的相互作用 状态时，又毫无保留地将能量（光》重新发射出来，在这个过程中没有净能量的变 化，因此光的领率也就没有受化，只是传潘速贵减慢了，这种现象称为光的透射 光与物质相互接触时，就会与物质相互作用，作用的性质菌光的被长（能 光通过不均匀介质时，如渠有一都分光沿着其他方向传塘，这种现象称为 量》及物重的性质面异，下面就一些与光分析密切相关的性质分别迹行讨论。 光的散射。根据散射的起因，可以分为丁解尔教射、我利散时，拉曼微射以及康 1,光的吸收，发射 苷颜效应等。 当光与物质接触时，某些额率的光被选释性吸收并使其型度减赐，这种现 当光从一种透明介须选人分一种透明介质时，光束的醇进方向宠生改变的 象称为特质对光的吸收。光蓝物质吸收的实质就是光的能量已转移到物质的 说象，称为光的折射。折射是由于光在不同介质中的传精速度不可而引起的。 分子成原子中去了。这样，某些渐率的光减少或者泪失，面物质内浑的堕量增 物质对光的折射率随者光的频率的变化而变化，这种现象称为“色散”。利川 加了，即物质中的分子或原子曲能量较低的状态上升为能量较高的状态，根粥 色散现象可以将液长范围很宽的复合光分散开来，成为许多被长范圆供小的单 吸收椅质的校态、光的能量（類率或战长）以及吸收光请的不同，可分为分子吸 色光“，这种作用称为“分光”。在光请分析中，广泛利用色敏现象来获得单色光 牧和原子吸收。 3.光的干涉、行射和偏振 当一束强度为1的单色光诚过琴度为L、浓度为心的均匀介质（试样）后。 当赖率振动（方向）、周相相同（或周相差保特恒定）的光尊所发射的相干 设其强度诚弱为1，则透射光强度与入射光强度之比，称为透射率，用T表秀： 光被互相叠加时，可以产生明暗相间的条纹，这种现象称为尧的干赤：光波绕过 ,得物而窖曲向后传桶的现象，称为光的每射。行射现象是干击的结果。光分 析中常利用光在（反射式》光据（通常由镀相的光学平而或四面上刻印等间距 涯常用吸光度A表示物质对光的吸收程度，其定义为 等宽的平行海恤敏成的)上产生的相射和干秒现象进行分光：利用分子品体对 =g7=g身 X射线的行射作用，产生X射线衍射， 天然光通过某些物质后，变为只在一个四定方向有贩动的光，称为平面侧 A值赫大(T值掘小)，表明物西对光的酸收程度越大，反之，则吸收程度越小。 振光，这种现象，称为偏振。平面偏振光可看作是由周列，振幅都相间，而旋转 实验表明在一定浓度荷围内，物质的暇光度A与吸光试样的浓度。及厚度L的 方向相反的左，右通偏振光叠加而成。当它进人旋光活性物质时，有两种情况：
第2章光分析淡导能 2一3无分新油你会类 一种是构成偏挥光的左，右两图偏振光的传活速度变得不一样，这种现象称为 式中，4Ew,△B.△Rt分别为分 光色散：另一种情况悬偏振光与物质相互作用后，由于对左、右圈据光的吸 子的转动能级，振动能级、电子能 收衡况不同导致两圆偏泉光的振解和能景也不相同，并形成一个沿着精刚运动 领跃迁时的能量变化。 的椭国偏指光，这种球象称为到二色性。 铸质的粒子按上式吸收某特 定的光子后，由某低能级版证到 2-3光分析法的分类 某高饱级，把物质对光的吸收情 况按据波长的次序排列记录下 米，就得到圾收光谱：反过米，吸 光分析法通常分为光诺法和非光蒂法两大类，本数材特重点介绍光谱法。 收了能量（光儒、热能，电能或其 他魄量)的粒子，由高能皎跃迁到 一、光湖法 低能领时，如某以光辐射形式释 这出多余的能量，冠光的发射按 以腹源与物质相互你用引起原子、分子内部量子化能级之间氏迁所产生的 波长次序排列记录下来，就得到 光的级收、发射、敏射等被长与强度的变化美系为基础的光分析法，称为光 发射光诺。 搭法 由于物质内部的粒子运动所 【,光褪产生的原理 处的能级和产生能级跃迁时的能 里戚物质的各种不同数粒，具有各种形式的避动。如分子整体的平动、分 量变化都是量子化的，因此，在产 于围能其质量中心的转动、分子中原子间的相对运动（渠动）及分子中的电子相 生能级跃迁时，只能段收成发射 对原子核的运动等。每一种运动状春都有一定的能量。一般地说，化合物分子 与粒子运动相对皮的特定额率 的总能量E。可用下式描述： (或哉长)的光能，形成相应的特 Eg=E,+E,+B。+Ba+Ee (2-3) 狂光进。不可的物质。由于其组 式中，E,E,EE。Es分明表示零点能、平动能.转动能，振动能和电子能 代臂好器 成和结构的不同，粒子运动时所 E,是不随分子的运动而改变的能量：E,热连禁变化的，平动时不发生偶极矩 其有的能量也不同，获得的特征 图2-1长迁示意图 变化，不产生光语。因此，与光请有关的是形w,E。,B,。每一种衡量都是量了 光游也就不同。因此，根据试样 化的，分子的每一个能量值，称为一个能领。每一种分子的能饭数和能饭值， 物质的光襟，可以研究物质的组成和结构。 取决于分子的本性和状态，也就是说，每一种分子都具有特征的能战结构。 2,光普及光请分析法的分类 图2-1为一分子的能级跃迁示意图， 按兵产生光请的物厦类冠的不同，可以分为原子光谱，分子光谱和固体光 由图2-1可如，在可一电子您级中，因振动能量的不同又分为儿个搬动能 谱：按照产生的光诺的方式不司，可以分为发射光谱、吸收光谱和敏射光讲：按 领，面在同一振动能级中，又因分子转动能量不可分为儿个转动能级。 狐光清的性质和形状，又可分为线光溝，带光游和连续光谐， 通常，物质的分子处于稳定的基态。当它受到光研成其他能量散发时，将 (1)原子光谱与分子光谱气态原子发生笔吸酥迁时，能发射或级收一定 根据分子所吸收能量的大小，引起分子转动、聚动或地子能领的嵌证，同时件随 類率（波长）的电慰辄射，经过光请仪所得到的一条条分立的线状光惜，称为原 着光子的吸收成发射，光子的能量(E生)等于前后两个馆级的能量(E,品》的差 子光避。基干这种光谢建立起米的分析方法，生琴有子发耐光谱分析法、原 值（△E),即 子吸收光错分析法和X射线光游分析法。， E。=却=E,-B,△E=Eg+AE+AE。 (2=4) 产生原子光谐的是处于稀薄气体状态的原子（相互之间作用力小），由于原
22 第？章光分析法导论 复习身育测 28 子没有泰续和转动能极，图此原子光请的产生主要是电子能领联迁所致。在发 发射光进的特征是在暗背景上有明亮的谱馒或谱区，吸收光博的特征测是 生纯电子能级跃迁时，不会叠加数动和转动能毁跃迁，发射或吸收的是一，频 在连续的亮背景上有暗线或扇区。 常（或波长）不连绫的都射，相应的取子光谱便是一条条被此分立的战光潘。 (3)酸射光请当物质受到光辆射作用时，如果发生弹性雅據，设有净距 处干气态减溶液中的分子，当发生能级跃迁时，所发射或吸收的是一定铜 量交美，雕产生与人射光波长和同的散射光，称为瑞利散射：如果发生丰弹性避 率范害的电慰幅射组成的带状光精，称为分子光造。规热的因体物质及复杂分 撞，即光子与分子相互作用后，有衡量的变化，则产生与人射光波长不同的散射 子受敢后，发射出被长范围相当广？的连候光语，称为固体光进。 分子光请负载了分子能饭的信息，而分子能级包新电子衡级，振动能极、转 光，称为拉曼撒射，由此获得的光请称为拉曼酸射光话，拉曼光潜是最重要的散 射光请。 动能谈，这些饱级都是量子化的。在每个电子能级上叠加了许多最动能复，每 由以上光请为基础建立起来的光分析法，称为光谱分析法 个版动衡级又叠加了许多转动能级（见图2-1），因此分子光谓座该有三个层 次。第一个层次是反陕分子纯转物馆领跃迁引起的转动能量的变化，这部分光 二、套光话法 排叫转动光谐：第二个层次是反唤分子纯振动能饭氏迁引起的刻动能量的变 化，这都分光诺森为振动光谱：第三个层次是反费分子纯电于能极氏迁引起的 除了光诗法以外的光分析法，统称为非光谱法。它是利用光与物衡作用时 电子能量的变化，这部分光谱称为电子光辩。分子转动能量小于0.05V,相当 于近红外光的能量，所以转动光话是在远红外被段：电子的能量为1一20V,因 所产生的折射、干涉析射和编振等基术性质的变化来达到分析测定的目的，主 而电子光谱是在可见光或紫外光被投：分子的振动能量为0.05~1V,居于转 要有折射法，干涉法，析射法爬光法和用二色性法等。 动和电子跃迁能量之间，它的光满位于中红外被致。 复习与自测 分子的叛动能量比分子的转动能量熹，因此，当外界能量引起分子的撒动 能领发生跃迁时，必然同时锋随转动能毁之闻的跃迁，但这种转动能毁的氏迁 一，思考题 不是单纯的转动衡级跃迁，前是叠加在数动能级庆迁之上的。所以，通常得到 1,光惜分新法是如有分类的1 的拒动光遭并不基一条条线状谱战，而是一个带。可样的，分子在两个电子细 2何谓·分光·？光分析中通常是如阿“分充“的？ 级之问跃迁时，虚必然叠加许多振动能级转动能线之间的纸迁。因此分子的 主伊么是光的费牧定？其数华表达式怎样的 紫外和可见光谱总是指状光谱。 4为什么夏子光语是线状的，阿分子光潘是排状的☒ (2)吸牧光请与发时光请当物质受到光辆射作用时，物质中的分子或原 子以及显酷场中的自旋原子核吸收了特定的光子之丽，由低能态（一般为基态） )1。不同物质，在产生能级长过时，收的光的率是相可的。 被獠宠氏迁到高能态（激发态），此时如将破收的光朝射记录下案，得到的就是 )工氟子先湛基一条条陵此分空的线光措，分子元滑是一定侧率在国的电赏幅射 吸收光满。使其产生的本质可分为分子吸收光谱（包括紫外一可见吸收光谱， 红外吸收光谐)，原子吸收光请及核磁共版被谱等 (单色光韵单色酒素用光诺线的夏度来表，清线的宽度窄，龙线所包 秋收了光组处于布能态的分子或原子，其寿命很短，当它们国判基态或较 含的知率范御照窄，表示光的单色性结好。 低能态时，有时以热的形式释放出所吸收的能量，由于这种热量狸小，一般不易 ()4,分子的转动能量比分千的板绮售量高，四此，当外界能量引起分子的舞动朝 觉察出来：有时重新以光辐射形式释故出来，由此获得的光蒂就是爱射光请。 复发生或注时，必格间时作腾转动鞋景之目的跃迁， 除了光辐射可以使物度受撒发光之外，还可以采用电塑、化学需、热能，电子或 ()5,分子光话负酸了分子能领信息，图分子能最包括纯动能铁程振清能级，这险 能我都梨量子化的。 其他粒子的差击而使其受激发光，失得爱射光清： 发射无请按其产生的本面，遵常分为原子（离子）发射光蒂，分子发尉光墙 (太阳光（日光）是复合光，面各种（如电甘酒精灯媒气灯）光是单色光。 和X射线发射光谐。 ).通领繁光器衡发射敲长为63以8m的红光，其度仅为0‘m,可见 数光是一种理服的单色先尊
24 第之幸完每析连导论 )烧，俄婚共景分析属于被训分析是因为白旋菲子核的核随跃还时吸政的电建 触雀量校高。 仁科用光的教子性 ()9,不润的物质由于组成及结构不门，肤停的特征光情也就不其，因面积超虽科 D.利用物质的折射、干沙，初射和南操现象 9检铸纸用其 的光琳频可以华突孩试样的性成和结构。 来连行分充的。 A散射作用 )0物顶的分子处于稳定的基本时，其能量为零，故称为“零众色”。 县行时作用 C折射作用 D旋先性用 上受微物质从高能态前到花衡志时，如柴以光辐射形式拜胶多余能量，这种现象称 光分析仪通由 因个基本常分冠成。 A.光瓶稀品慰、检测得，计算积 为 A光的极收 肤信显爱生系然，色散采统、检测系杭信泉处谓茶统 良先的发解 C光的散射 C豫发厚.样面准：光出二极管、显采装爱 D.先的府射 我光源，校能壳循光电法 2被轮耍（小于0m)倒量大（大手0V(如X射线，Y射战）的电赋放谁，检子竹比 四、填套烟 校到星，称为 ,由北建立的分析方甚稀为 1.光是一肿电造辄材（成电蓝流）。具有 性，光的被动性可川凭的被长（表 盘能擅：能博分斯核 控数：)和鞭事，来情活：光的粒子性可用光量子（纳称光子）的能量友来描述。它们之佩的 C光学壳增：光增分折法 D,高衡子1离部分析法 关系，可议用公式 31.利用光量的 我系起来。 作用，可以运行色散分光。 A散射 2不同长的光具有不同的量.长长，率，被超 ,能量 射粉于沙 一，及之，被长塘延，能量越 D,发射 三.在光分析中，常奢果州色散元件我 4.光增分析法与其触仅各分析法的不闻点在于光清分析法研宾荐及的基一一 来作为分析手程 4物既对光的折射率随著光的顺率变化变化，这种现象称为 A,试样中各组分同的初工干找及其裤豫盘光与电物德爱皮用 ,在光分析 中，广利用这补观象来获得 C光啊射与试样间钧相显作用写能餐我进D.试样中各回分的分真 原枚光进按其产生的本题分为 5,每一斜分子部具有特任的傻级结构因民，先绍材与物质作用时，可以孩拼骨红的分 子光谱。积拐试样的光，可以 在由于果于花有振前松转动能领，國成草予光游的产生主壁基 所 ?发射光调龙其产生的本贾，通常分为 A,该试样中化合智的分子式 盘试样中各分的分配爱相互干找 8,根摆起以，敢射表常可说分为： C试样的和箱构 D试样中化合物的船对分子衡量 9,当类与物质作用时，某华颜率的光被物纸选择性地限收并使其强度减弱的冠象，称为 在按围产生先首的物费类多不同，光详可以分为 此时，物质中的分子或原子南 的统本跃廷科 的线害 A发射光滑.碳收先谱，散射光谱 0光清分析法通帮可获得其分析方不葡获得的 民原子光讲，分子光请，需体允调 五、简答藏 C线光酒、帽光谢和南候光晋 1.原子光满与分千光有什不可 D.X射线发解究语x射线吸收光道.X射线荧光光诗X射线衍射先普 2。限牧光谱与发射光情有什么不可？ ?.额率，按长、成数及辑量的关系是 3什么是复合光雅单色光？光清析中如单色光？ 木额率越低，支长越短，遗数越高，能量菇他 我幅率林低，技长挑长，放数悠低，能量越病 C箱市林高，放长魅型，迎数棒高，能量接高 D额毕体高，技长罐高，破数德际，僧量越病 家先进分桥甚是一种来精定物质的陆成和纳构的仪墨分析力达。 A利用物质与光相三作用的信摩 且科用光的教动性