第九章光谐分简
第九章 光谱分析简介
光谱分新方法 ·光谱分析方法( Spectrometry)是基于电磁辐射 与物质相互作用产生的特征光谱波长与强度进行 物质分析的方法。 它涉及物质的能量状态、状态跃迁以及跃迁强度 等方面。通过物质的组成、结构及內部运动规律 的研究,可以解释光谱学的规律;通过光谱学规 律的研究,可以揭示物质的组成、结构及内部运 动的规律。 光谱分析方法包括各种吸收光谱分析和发射光谱 分析法以及散射光谱(拉曼散射谱)分析法(本 书未介绍拉曼光谱)
光谱分析方法 • 光谱分析方法（Spectrometry）是基于电磁辐射 与物质相互作用产生的特征光谱波长与强度进行 物质分析的方法。 • 它涉及物质的能量状态、状态跃迁以及跃迁强度 等方面。通过物质的组成、结构及内部运动规律 的研究，可以解释光谱学的规律；通过光谱学规 律的研究，可以揭示物质的组成、结构及内部运 动的规律。 • 光谱分析方法包括各种吸收光谱分析和发射光谱 分析法以及散射光谱（拉曼散射谱）分析法（本 书未介绍拉曼光谱）
光谱分新方法 ·吸收光谱与发射光谱按发生作用的物质微 粒不同可分为原子光谱和分子光谱等。 由于吸收光谱与发射光谱的波长与物质微 粒辐射跃迁的能级能量差相应,而物质微 粒能级跃迁的类型不同,能级差的范围也 不同,因而吸收或发射光谱波长范围(谱域 不同。 ·据此,吸收或发射光谱又可分为红外光谱、 紫外光谱、可见光谱、X射线谱等
光谱分析方法 • 吸收光谱与发射光谱按发生作用的物质微 粒不同可分为原子光谱和分子光谱等。 • 由于吸收光谱与发射光谱的波长与物质微 粒辐射跃迁的能级能量差相应，而物质微 粒能级跃迁的类型不同，能级差的范围也 不同，因而吸收或发射光谱波长范围(谱域) 不同。 • 据此，吸收或发射光谱又可分为红外光谱、 紫外光谱、可见光谱、X射线谱等
§9。光谱分祈基本愿理—物 的结构与能恋 、原子结构与原子能态 众所周知,原子是由原子核以及核外电子组成的, 核外电子围绕原子核运动。 按照量子力学的概念,原子核外电子只能在一些 确定的轨道上围绕核运动,不同的轨道具有不同 的能量,它们分别处于一系列不连续的、分立的 稳定状态,这种不连续的能态,称为能级 (energy level) 顺序固定的能级,对于自由电子能级中间的能量 值是禁止的
§9.1 光谱分析基本原理——物质 的结构与能态 • 一、原子结构与原子能态 • 众所周知，原子是由原子核以及核外电子组成的， 核外电子围绕原子核运动。 • 按照量子力学的概念，原子核外电子只能在—些 确定的轨道上围绕核运动，不同的轨道具有不同 的能量，它们分别处于一系列不连续的、分立的 稳定状态，这种不连续的能态，称为能级 （energy level）。 • 这就是说原子中的电子只能具有某些分立而位置 顺序固定的能级，对于自由电子能级中间的能量 值是禁止的
、【子结构与子 原子里所能具有的各种状态中能量最低的状态(E0) 称为基态( ground state)。如果外层电子(又称价电 子)吸收了一定的能量就会迁移到更外层的轨道上,这 时电子就处于较高能量(高于基态)的量子状态叫激发 态( excited state)。而从一个能级所对应的状态到另 个能级所对应的状态的变化称为跃迁( transition) 电子从基态E0能级,跃迁到E1能级,由于E1>E0,则 可以说电子吸收了能量使它处在激发态了,同样,E2 相对于E1和E0,E3相对于E2、E1和E0也都是激发态。 处在激发态的电子是不稳定的,它将通过发射光子或与 其它粒子发生作用释放多余的能量,重新回复到原来的 基态
一、原子结构与原子能态 • 原子里所能具有的各种状态中能量最低的状态（E0） 称为基态（ground state）。如果外层电子(又称价电 子)吸收了一定的能量就会迁移到更外层的轨道上，这 时电子就处于较高能量（高于基态）的量子状态叫激发 态（excited state）。而从一个能级所对应的状态到另 一个能级所对应的状态的变化称为跃迁（transition） • 电子从基态E0能级，跃迁到E1能级，由于E1>E0，则 可以说电子吸收了能量使它处在激发态了，同样，E2 相对于E1和E0，E3相对于E2、E1和E0也都是激发态。 处在激发态的电子是不稳定的，它将通过发射光子或与 其它粒子发生作用释放多余的能量，重新回复到原来的 基态
为了形象起见,往往 E 按某一比例并以一定 高度的水平线代表具 E 有一定能量的能级, 把这些不同状态的能 量级按大小依次排列, 如图9-1所示。 基态)
原子能态 • 为了形象起见，往往 按某一比例并以一定 高度的水平线代表具 有一定能量的能级， 把这些不同状态的能 量级按大小依次排列， 如图9-1所示
予能与子能 原子吸收了一定波长的光,由基态跃迁到激 发态;当它由激发态回到基态时,发射同 波长的光。 由于原子可能被激发到的能级很多,而由这 些能级可能跃迁到的能级也很多,所以原子 被激发后发射的辐射具有许多不同的波长。 每个单一波长的辐射,对应于一根谱线,因 此原子光谱是由许多谱线组成的线状光谱
原子结构与原子能态 • 原子吸收了一定波长的光，由基态跃迁到激 发态；当它由激发态回到基态时，发射同一 波长的光。 • 由于原子可能被激发到的能级很多，而由这 些能级可能跃迁到的能级也很多，所以原子 被激发后发射的辐射具有许多不同的波长。 • 每个单一波长的辐射，对应于一根谱线，因 此原子光谱是由许多谱线组成的线状光谱
〓、分子运动与能恋 分子光谱要比原子光谱 分子中,除了电子相对 电子激发态v=0 于原子核的运动外,还 零点能 有核间相对位移引起的 纯电子跃迁 振动和转动。 这三种运动能量都是量 子化的,并对应有一定 的能级。图9-2是双原 子分子的能级示意图, 图中v和ν′表示不同能 量的电子能级。 纯转动跃迁纯振动跃迁 t2=0 零点能 一电子基态一
二、分子运动与能态 • 分子光谱要比原子光谱 复杂得多，这是由于在 分子中，除了电子相对 于原子核的运动外，还 有核间相对位移引起的 振动和转动。 • 这三种运动能量都是量 子化的，并对应有一定 的能级。图9-2是双原 子分子的能级示意图， 图中和 ’ 表示不同能 量的电子能级。 •
分运动与能态 在每一电子能级上有许多间距较小的振动能级 在每一振动能级上又有许多更小的转动能级。若 用△Ee、△EV、ΔEr分别表示电子能级、振动能级、 转动能级差,即有△Ee>△Ev>△Er。 处在同一电子能级的分子,可能因其振动能量不 同,而处在不同的振动能级上 当分子处在同一电子能级和同一振动能级时,它 的能量还会因转动能量不同,而处在不同的转动 能级上。所以分子的总能量可以认为是这三种能 量的总和,即 E= Ee Ev er (9-1)
分子运动与能态 • 在每一电子能级上有许多间距较小的振动能级， 在每一振动能级上又有许多更小的转动能级。若 用Ee、Ev、Er分别表示电子能级、振动能级、 转动能级差，即有Ee＞Ev＞Er。 • 处在同一电子能级的分子，可能因其振动能量不 同，而处在不同的振动能级上。 • 当分子处在同一电子能级和同一振动能级时，它 的能量还会因转动能量不同，而处在不同的转动 能级上。所以分子的总能量可以认为是这三种能 量的总和，即 • E = Ee + Ev + Er （9-1）
分运动与能态 ·当用频率为ν的电磁浪照射分子,而该分子的较高 能级与较低能级之差ΔE恰好等于该电磁波的能量 hv时,即有 △E=hv (9-2) 这里,h为普朗克常数。此时,在微观上出现分子 由较低的能级跃迁到较高的能级;在宏观上则透 射光的强度变小。若用一连续辐射的电磁浪照射 分子,将照射前后光强度的变化转变为电信号 并记录下来,就可以得到一张光强度变化对波长 的关系曲线图——分子吸收光谱图
分子运动与能态 • 当用频率为的电磁波照射分子，而该分子的较高 能级与较低能级之差E恰好等于该电磁波的能量 h时，即有 • E = h （9-2） • 这里，h为普朗克常数。此时，在微观上出现分子 由较低的能级跃迁到较高的能级；在宏观上则透 射光的强度变小。若用一连续辐射的电磁波照射 分子，将照射前后光强度的变化转变为电信号， 并记录下来，就可以得到一张光强度变化对波长 的关系曲线图——分子吸收光谱图