直讀光譜儀操作手冊

第一章 光電光譜分析的基本原理

一、 光譜分析簡介

1、 電磁輻射的基本特征 光譜是按照波長（或波數(shù)、頻率）順序排列的電磁輻射。天空的彩虹、自然界的極光等均是人們早期觀察到的光譜，但它們僅是電磁輻射的很小的一部分可見光譜。還有大量的不能被人們直接看到的和感覺到的光譜，如γ射線、x射線、紫外線、紅外線、微波及無線電波等，這些也都是電磁輻射，它們只是頻率或波長不同而已。 電磁輻射實際是一種以巨大速度通過空間而傳播的能量（光量子流），具有波動性和微粒性。 就波動性而言，電磁輻射在空間的傳播具有波的性質(zhì)，如同聲波、水波的傳播一樣，可以用速度、頻率、波長和振幅這樣一些參數(shù)來描述，并且傳播時不用任何介質(zhì)，且易于通過真空。在真空中所有電磁輻射的速度相同，常用光速（c）來表示，c的數(shù)值為：2.99792*103米/秒。 在一定的介質(zhì)中，它們之間的關(guān)系為 δ＝V/C=1/λ 式中：V-------頻率，單位時間內(nèi)的波數(shù)；λ„„„„波長，為沿波的傳播方向、相鄰兩個波間相位相同的兩點之間的距離；δ„„„„波數(shù)，單位長度內(nèi)波長的個數(shù)。C是光速。 就電磁輻射的微粒性來說，每個光量子均有其特征的能量ε，它們與波長或頻率之間的關(guān)系可以用普朗克（Planck）公式表示： ε＝hv＝h（c/λ） 波長是相鄰間相位相同的兩點之間的距離 式中：h是普朗克常數(shù)，其值為6.626*10-34 焦耳/秒 2、電磁波譜區(qū)域 電磁輻射按波長順序排列稱磁波譜。他們是物質(zhì)內(nèi)部運動的一種客觀反映，也就是說任一波長的光量子的能量ε與物質(zhì)的內(nèi)能變化△E=E2-E1=ε＝hv＝h（c/λ） 如果已知物質(zhì)由一種狀態(tài)，E2過渡到另一種狀態(tài)E1時，其能量差為△E=E2-E1 便可按照公式計算出相應的光量子的波長。下表列出了各輻射區(qū)域、波長范圍及相應的能及躍遷類型。

對于成分分析主要應用近紫外及可見光區(qū)。

3、光譜分析內(nèi)容 光譜分析是根據(jù)物質(zhì)的特征光譜來研究化學組成、結(jié)構(gòu)和存在狀態(tài)的一類分析領(lǐng)域?？杉毞譃樵影l(fā)射光譜分析、原子吸收光譜分析、分子發(fā)射光譜分析、分子吸收光譜分析、X射線熒光光譜分析、紅外和拉曼光譜分析等各類分析方法。 原子發(fā)射光譜分析是根據(jù)試樣物質(zhì)中氣態(tài)原子（或離子）被激發(fā)以后，其外層電子輻射躍遷所發(fā)射的特征輻射能（不同的光譜），來研究物質(zhì)化學組成的一種方法。常稱為光譜化學分析，也簡稱為光譜分析。光電光譜分析方法是用光電轉(zhuǎn)換器件進行測量的發(fā)射光譜分析。在光電光譜分析中，計算機的應用已很普遍。 二、光電光譜分析的基本原理和發(fā)展情況 1、基本原理 測定物質(zhì)的組成，是人類認識自然，改造自然必要的。物質(zhì)系由分子或原子所組成。欲測定物質(zhì)的組成，通常用化學分析法，但光譜分析也是廣泛采用的方法。 物質(zhì)都有其屬性，通過屬性可以區(qū)別不同的物質(zhì)。由于物質(zhì)的組成不同，在一定條件下物質(zhì)能發(fā)射其特征的光譜。我們就是利用光譜這個屬性來測定物質(zhì)的組成。 由于光具有波動物質(zhì)，所以光的一個標志是它的波長。不同顏色的光彩表明它們的波長不同。由短波的紫光到長波的紅光組成全部可見光。按照波長分開而排列的一系列不同波長的光就組成所謂光譜。廣義而言，可用于分析工作的光譜的范圍可以包括更大電磁波的范圍，大約波長范圍由10-10至10厘米。但發(fā)射光譜分析工作的光譜范圍只是紫外光域的一部分，波長約為1600埃－8500埃（可見光域的波長范圍約為4000埃－7000埃）

物質(zhì)能發(fā)射光譜，物質(zhì)對光且有吸收、散射等作用。這些現(xiàn)象都可以利用來作物質(zhì)的測定。這里討論的限于發(fā)射光譜分析，或者說的嚴密一些，應稱作發(fā)射光譜化學分析。但為簡單起見，我們就稱之為光譜分析。 物質(zhì)發(fā)射的光譜有三種，線狀光譜、帶狀光譜及連續(xù)光譜。線狀光譜系由原子或離子被激發(fā)而發(fā)射，因此只有當物質(zhì)在離解成原子或離子時（一般氣態(tài)或高溫下）才發(fā)射線狀光譜。帶狀光譜系由分子被激發(fā)而發(fā)射，而連續(xù)光譜系由炙熱的固體或液體所發(fā)射。在通常進行光譜分析所用的激發(fā)光源火焰、電弧或電火花的作用下，分析的物質(zhì)處在高溫的氣態(tài)下，一般都離解為原子或離子，因而被激發(fā)后發(fā)射的是線狀光譜。所以光譜分析所利用的是線狀光譜中的譜線，并且所得結(jié)果只能給出組成元素的種類及含量，而不顯示物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。 每一種元素的原子被激發(fā)后，可以產(chǎn)生一組其特征的光譜，而特征光譜的出現(xiàn)就能證明此種元素在輻射源中存在。。原子或離子被激發(fā)而產(chǎn)生十數(shù)萬條光譜的譜線已經(jīng)測定它們的波長。由于測定波長能達很高的準確度，光譜中的大部分譜線都可以無誤地確定其由哪一種元素產(chǎn)生。所以光源定性分析是很可靠的辦法，即靈敏、快速又簡單。周期表上約七十個元素，可以用光譜方法，較容易地定性測定。 一般當試樣中某一元素的含量不太高時，該元素發(fā)射的光譜譜線強度是和它的含量成正比。這個關(guān)系成為光譜定量分析的基礎，并使光譜定量分析成為非常方便的方法。凡是光譜定性分析能測到的元素，一般都可以做定量分析。光譜定量分析，一般比化學快，并且用較少的試樣即可進行。 物質(zhì)發(fā)射的光譜需用分光儀器進行觀測。分光儀器需有三個元件：狹縫、能將不同波長的光按波長分開和排列成序的三棱鏡或光柵和能聚焦成像以形成譜線的光學系統(tǒng)（譜線即為狹縫的像）。 譜線落在焦面上，可用感光板攝取，或用目鏡觀測（限于可見光），或用一出口狹縫接收（使與近旁其它譜線區(qū)分）。前一種方式即為一攝譜儀，其次一種方式則為看譜鏡，而第三種方式則為單色儀。如在許多譜線處裝上出口狹縫，并在出口狹縫后面設置光電接收裝置，即成為光電直讀光譜議。 2、電法光譜分析的發(fā)展情況 在近代科學技術(shù)的發(fā)展中，光譜分析的應用在成分分析、結(jié)構(gòu)分析及科學研究中均起到重要的作用。其中原子發(fā)射光譜這一分析方法不僅對金屬、合金、礦物成分的測定，也對生產(chǎn)過程的控制有著重要的作用，而且已廣泛應用于高分子材料、石油化工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境科學以及生命科學等領(lǐng)域。 發(fā)射光譜分析根據(jù)接收光譜輻射方式的不同而分成三種：看譜法，攝譜法和光電法。由圖1可以看出這三種方法基本原理都相同：都是把激發(fā)試樣獲得的復合光通過入射狹縫射在分光元件上，被色散成光譜，通過測量譜線強度而求得試樣中分析元素的含量。三種方法的區(qū)別在于看譜法用人眼去接收，射譜法用感光板接收，而光電法則使譜線通過放在光譜焦面處的出射狹縫，用光電倍增管接收光譜輻射。 光電法是由看譜法及攝譜法發(fā)展而來的，主要用來作定量分析。攝譜法的光譜定量分析

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