第二章光学分析法导论

Modern Modern Instrumental Instrumental

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@ Tarim University 2007

第二章第二章光学分析法导论光学分析法导论

Chapter II

Introduce to Optical Analysis


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电磁辐射的基本性质

电磁辐射近代研究和实验结果表明，电磁辐射具有波粒二象性。

电磁辐射的波动性电磁辐射的传播以及反射、衍射、干涉等现象可以用波动性来解释。电磁波

根据经典物理的观点，电磁波具有相同同位相的两个互相垂直的振动矢量，一个是沿 Y 轴方向变化的电场矢量 E ，一个是沿 Z 轴方向变化的磁场矢量 H ， E 和 H 都与电磁波的传播方向垂直。


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（ 1 ）周期 T两个相邻矢量极大（或极小）通过空间某固定点所需的时间间隔叫做辐射的周期，单位为秒（ s ）。（ 2 ）频率 ν

（ 3 ）波长 λ 相邻两极大或极小值之间的距离，所用单位随着不同的电磁波谱区而不同。常用的单位有厘米（ cm ），微米（ μm ），纳米（ nm ）。

描述电磁波的参数


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（ 4 ）波数 σ 每厘米内波的数目，即单位距离中极大值的数目。它等于以厘米为单位的真空中波长的倒数， σ=1/λ ，单位为 cm-1 。

（ 5 ）传播速度 v 波在一秒钟内通过的距离。由于波每秒有 ν 次振动，而每次振动通过的距离为 λ ，所以：　 V = λ×ν

描述电磁波的参数


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电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性

电磁辐射的吸收和发射等同物质相互作用的现象则就不能用波的模型来解释。这时必须将其看作是不连续的能量微粒，即光子或光量子。

光子具有能量 hv ，具有动量 hv/c 。每个光子的能量 E

与相应的频率及波长有如下关系： E= h v = h c/λ= h cσ

光子的动量 p 与波长的关系为： p = hν/c = h/λ


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频率（ Hz ）波长电磁波跃迁类型

6.0 × 1019

6.0 × 1019 3.0 × 1016

3.0 × 1016 1.5 × 1015

1.5 × 1015 7.5 × 1014

7.5 × 1014 3.8 × 1014

3.8 × 1014 1.2 × 1012

1.2 × 1012 6.0 × 1012

6.0 × 1012 3.0 × 1011

3.0 × 1011 1.0 × 109

1.0 × 109

0.005nm

0.005-10nm

10-200nm

200-400nm

400-800nm

0.8-2.5m

2.5-50 m

50-1000 m

1-300mm

300mm

γ 射线区X 射线区真空紫外光区近紫外光区可见光区近红外光区中红外光区远红外光区微波区无线电波区

核能级K,L 层电子能级K,L 层电子能级外层电子能级外层电子能级分子振动能级分子振动能级分子转动能级分子转动能级电子和核的自旋

电磁辐射按波长或频率的大小顺序排列起来，称为电磁波谱。

2. 电磁波谱


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光与物质的相互作用光与物质的相互作用

(1) 吸收物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能级跃迁到高能级

(2) 发射将吸收的能量以光的形式释放出 (3) 散射丁铎尔散射和分子散射 (4) 折射折射是光在两种介质中的传播速度不同 (5) 反射 (6) 干涉 (7) 衍射光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象； (8) 偏振只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。


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1. 概念：当粒子（原子、分子、离子）吸收的光子能量与他们的基态（ M ）能量和激发态（ M* ）能量之差 ΔE=h• 相等时，该光子将被粒子选择性吸收，粒子由基态跃迁到激发态，这个过程称为吸收过程。

M M*

2. 吸收光谱 ( absorption spectrum) ：以波长为横坐标，被吸收辐射的相对强弱（ A or T ）为纵坐标作图，得到物质的吸收光谱。对吸收光谱的研究可以确定式样的组成、含量、结构。

3. 吸收光谱法：根据吸收光谱原理建立的分析方法

h

吸收吸收 (absorption)(absorption) 过程过程


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朗伯朗伯 -- 比尔定律比尔定律

朗伯定律 1729 年波格尔 (Bouger) 在实

验中发现物质对光的吸收与吸光物质的厚度有关。朗伯—波格尔的学生进一步研究并于 1760 指出：当溶液的浓度一定，光的吸收程度与液层厚度成正比，这就是朗伯定律。

表示为： A=k1b

A—— 吸光度 K1—— 比例常数

光的吸收基本定律示意图


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比尔定律比尔定律

1852 年比尔（ beer ）在研究各种无机盐对红光的吸收后又指出：当单色光通过溶液层的厚度一定时，溶液的吸光度与溶液的浓度成正比，即比尔定律，表示为：

cklgA 2

0

I

I



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朗伯－比尔定律（一）朗伯－比尔定律（一）

将朗伯定律和比尔定律合并，

即为朗伯比尔定律。

abc lgA0

I

I

a －吸光系数

A －吸光度 . 为无因次量

b －液层厚度 . 一般单位为 cm



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朗伯－比尔定律（二）朗伯－比尔定律（二）

如果 c 以 g/L 表示时， a 的单位为： L.g-1.cm-1若 c 以 mol/L 表示，此时，吸光度采用摩尔吸光度系数 ε 表示。单位为： L.mol-1×cm-1。则有：

A=εbc

ε(Epsilon ) 的物理意义及计算 ε—— 摩尔吸光度系数 , 数值上等于 1mol/L 的吸光物质在 1cm

光程中的吸光度（ 1 ） ε—— 吸光物质在特定波长和溶剂中的一个特征常数（ 2 ） ε 值愈大，方法的灵敏度愈高（显色反应愈好） ε 值可以从实验中得到。


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例：例： CFe

2+为 5.0×10-4 g.L-1 的溶液，在一定条件下，经啉菲罗啉显色后，在波长 510nm ，比色皿厚度为 2cm 时测得 A=0.19 ，求啉菲罗啉亚铁的 ε 与 a 值。铁的相对原子量为 55.85 。

解：根据朗伯－比尔定律 A=abc

114

190100.52

19.0

cmgL

bc

Aa


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续例：续例：

由实验结果计算 ε 时，常以被测物质的总浓度代替吸收物质的浓度，这样计算得到的ε 值，实际上是表观摩尔吸收系数， ε 与 a 的关系为

ε= M a M —— 吸光物质（非显色剂）原组分的

摩尔质量ε=55.85×190=1.1×104(L.mol-1.cm-1)


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2.2 2.2 发射发射 (emission)(emission) 过过程程

1. 概念：物质（粒子）吸收能量后由基态（ M ）变为激发态（ M* ），激发态很不稳定，在短暂时间（ ab 10-8s ）内，由从高能态回到低能态，将吸收的能量以光的形式释放出来 ,该过程称为发射过程。

M* M + h

2. 发射光谱法 (emission spectrum) ：试样的激发有的通过电子碰撞引起（电激发、电弧、火焰的热激发）有的通过适当的光激发等。由于各种元素的原子、离子和不同物质的分子的能级分布是特征的，从从高能态回到低能态时发出的光子能量也是特征的。利用特征光谱可进行定性分析，根据特征光谱的强度可进行定量分析。


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2.3 2.3 散射（散射（ scatteringscattering ）过）过程程

1. 概念：光与物质作用后，光的传播方向发生了改变，这种现象称为散射。

例如：当介质粒子（乳浊液、悬浊液、胶体）大小与入射光的波长相差不大时，散射光的强度增强。 Tyndall 效应就是由溶胶对光的散射引起的，以此为基础而建立的分析方法称为散射浊度分析法。


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2. 散射的种类：

（ 1 ）弹性碰撞：当介质分子比光的波长小 (Φ<λ) 时发生 Rayleigh 散射，这是弹性碰撞（碰撞时没有能量交换，只改变光子的运动方向，因此散射光的频率 ν 不变）。散射光强度与入射光波长的 4 次方成反比例。

（ 2 ）非弹性碰撞：在非弹性碰撞中，光与物质作用后，光子的能量发生了改变（即散射光的频率发生改变）、运动方向也发生改变，这种散射称为 Raman 散射（ 1928 年印度物理学家C.V. Raman 发现的）。


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散射频率高于入射光德为反 Stokes 线；散射频率低于入射光的为 Stokes 线； Stokes 线和反 Stokes 线称为拉曼谱线。拉曼位移与分子的振动频率有关。具有拉曼活性的分子振动时伴有极化率的变化，振动时

极化率越大，拉曼散射越强。利用拉曼位移研究物质的结构，其方法称为拉曼光谱。


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2.4 2.4 干涉过程干涉过程光的干涉在一定条件下，当频率相同、振动方向相同、位相恒定

的波源所发生的两束波在传播过程中，由于存在光程差，致使两束波在相遇时产生波的叠加。出现光的加强和削弱，呈现明暗相间的条纹，这种现象称为光的干涉。若两波相互加强则出现明亮条纹；若相互抵消则出现暗条纹。如水面油膜的五光十色。

明亮条纹：若两束波的光程差 δ等于波长 λ的整数倍，叠加波加强到最大，干涉出现明亮条纹。即

δ=±Kλ (K=0,1,2,3,····) 暗条纹：若两束波的光程差 δ等于 λ/2的奇数倍，叠加波得到最大的减弱，干涉出现暗条纹。即

δ=±（ 2K+1） · λ/2 (K=0,1,2,3,····)


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2.5 2.5 衍射过程衍射过程

波的衍射：光波通过障碍物或通过狭缝时。以约 180° 的角度向外辐射，波前进的方向发生了弯曲即光偏离直线传播的现象，称为波的衍射，它是干涉的结果。衍射现象是光栅分光的基础，晶体衍射是 X 射线衍射分析的基础。

若以一束平行的单色光通过一狭缝（狭缝宽度为 a ） AB时，部分光将偏离入射方向 , 以 θ 角方向传播，经聚焦后，入射光位于 Po 点，衍射光聚焦于 P 点。由于通过狭缝聚焦于 P点的光束的光波之间存在光程差，因此，在聚焦点产生广的干涉现象。可在屏幕 xy 上看到或明或暗交替的衍射条纹。

明亮条纹：当光程差 AC 等于波长的偶数倍时，则 P 点出现明亮条纹。即 AC=a sinθ=K·λ （ K=0,1,2,3,···· ）

暗条纹：当光程差 AC 等于半波长的奇数倍时，则 P 点出现明亮条纹。即 AC=a sinθ=（ 2K+1） ·λ/2 （ K=0,1,2,3,···· ）


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ÁÁ¶È

P0 P1 P2P1P2, ,,

P3P3

- + sin ¦Èsin ¦È

¦Á¦È

¦È

A

B

S

P

P 0

X

Y

C

K=±1， ±2， ±3···

为一级、二级、三级 ···明暗条纹

θ=0时的条纹称为零级明亮条纹


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2.6 2.6 折射与反射过程折射与反射过程

1. 折射：当光从一种介质（ 1 ）照射到另一种介质（ 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 r 的角度（折射角）进入介质（ 2 ），这种现象称为光的折射。棱镜的分光作用就是基于物质对光的折射作用。

i i

N

N

·¨ Ïß

ÈëÉä¹â Ïß ·´ Éä¹â Ïß

ÕÛÉä¹â Ïß

r

i ÈëÉä½Ç r ÕÛÉä½Ç

1

2

½éÖÊ¶þ

½éÖÊÒ»


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折射率：折射的程度用折射率 n 表示介质的折射率定义为：光在真空中的速度 C1 与光在

该介质中的速度 C2 之比（两种介质的相对折射率）

2

1

c

cn


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2. 2. 反射反射当光通过具有不同折射率的两种

介质的界面时会产生反射。反射率（反射分数）：

12

12

0 nn

nn

I

I r

Ir, Io 分别为入射光和反射光强度 n1,n2 分别为光在介质 1 和介质 2 种的折射率。注意：注意：当光由空气（ n=1.00029 ）通过玻璃（ n=1.5 ）时，在每一空气 - 玻璃界面约有 40% 的反射损失，这种损失存在于各种光学仪器中，尤其是有多个界面的光学仪器。由物质的折射率求出该物质的浓度或纯度的方法称为折射法。

问题：为何光学仪器的镜头看起来是蓝紫色的？


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2.7 2.7 偏振偏振

平面偏振光：自然光是一种复合光，电磁辐射的电场矢量分布在垂直

传播方向的平面上的任何方向。当它通过某一物质后，某一方向的振动保留下来，另一方向的振动被消除，这种只在某一固定方向有电场矢量或磁场矢量的光称为平面偏振光。

左旋圆偏振光和右旋圆偏振光：对着光的传播方向，电场矢量振动方向沿着反时针方向

旋转的称为左旋偏振光。沿着顺时针方向旋转的称为右旋圆偏振光。

当平面偏振光进入非旋光物质时，左、右圆偏振光的传播速度一样，任何时刻他们的矢量叠加形成的平面振动方向始终不变。


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旋光，旋光活性物质，旋光度当平面偏振光进入旋光物质时，由于其折射率不

同，导致左、右圆偏振光的传播速度不一样，是叠加形成的平面振动光的振动方向发生变化，旋转了一个角度 α ，这种现象称为旋光。

产生旋光的物质称为旋光活性物质；角度 α 称为旋光度；基于旋光原理的分析方法称为旋光色散法。


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另一种情况是平面偏振光与物质作用后，物质对左、右圆偏振光的吸收程度不一样，导致左右圆偏振光的振幅不同。

两个振幅不同的、并沿着相反方向旋转前进的圆偏振光的合成矢量是一种椭圆旋转，形成椭圆偏振光。

用椭圆率 θ表示两种圆偏振吸收系数的差别而建立的分析方法称为圆二色法。


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第三节光学分析法的分类第三节光学分析法的分类

2.1 光学分析法（ optical analysis ）：是基于电磁辐射与物质相互作用后产生的辐射信号或发生的光学性质（如吸收，发射，散射，衍射等）变化来测定物质的性质、含量和结构的一类分析方法。分为非光谱法（ nonspectrum method ）和光谱法（ spectrum method ）

2.1.1 非光谱法（ nonspectrum method ）：不涉及物质内部能级的跃迁，通过测量光与物质相互作用时的折射、反射、散射、衍射、色散、干涉、偏振光等性质的变化而建立起来的分析方法。有折射法、光散色法、干涉法、衍射法、旋光法、圆二向色谱法。如浊度法、糖量计、旋光仪、 x射线衍射法等。

2.1.2 光谱分析 (spectroscopic analysis) ：是物质与光相互作用时物质内部发生了量子化能级间的跃迁，从而测定（发射或吸收）光谱的波长和强度进行分析的方法。

光谱法分为原子光谱法和分子光谱法


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光谱法分为原子光谱法和分子光谱法

原子光谱（线性光谱）法 : 是由原子外层或内层电子能级的变化产生的，它的表现形式为线光谱

分析方法有原子发射光谱（ AES ）原子吸收光谱（ AAS ）原子荧光光谱（ AFS ） x 射线荧光光谱法（ XFS ）基于原子核与射线作用的穆斯堡谱


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分子光谱（带状光谱）：基于分子中电子能级、振 -转能级跃迁；是由分子中电子能级、振动和转动能级的变化产生的，表现形式为带光谱．

分析方法 : 紫外光谱法（ UV ）；红外光谱法（ IR ）；分子荧光光谱法（ MFS ）；分子磷光光谱法（ MPS ）；核磁共振与顺磁共振波谱


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各种光分析法简介 (1)

1. 原子发射光谱分析法 atomic emission spectrum,AES

以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的外层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。2. 原子吸收光谱分析法 atomic absorption spectrum,AAS

利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液中离子转变成气态原子后，测定气态原子对共振线吸收而进行的定量分析方法。


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思考：

原子吸收光谱和原子发射光谱的区别


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3. 原子荧光分析法气态原子吸收特征波长的辐射后，外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，在 10-8s 后跃回基态或低能态时，发射出与吸收波长相同或不同的荧光辐射，在与光源成 90 度的方向上，测定荧光强度进行定量分析的方法。 4. 分子荧光分析法 molecular fluorescence spectrometry

某些物质被紫外光照射激发后，在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光，通过测量荧光强度进行定量分析的方法。



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6. X 射线荧光分析法 X-ray fluorescence analysis, X-ray fluo

rimetry

原子受高能辐射，其内层电子发生能级跃迁，发射出特征 X 射线（ X 射线荧光），测定其强度可进行定量分析。

5. 分子磷光分析法 Molecular phosphorimetric analysis

处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进入第一三重激发态，再跃迁返回基态发出磷光。测定磷光强度进行定量分析的方法。



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7. 化学发光分析法 chemiluminescence analysis 利用化学反应提供能量，使待测分子被激发，返回基态时发出一定波长的光，依据其强度与待测物浓度之间的线性关系进行定量分析的方法。

8. 紫外可见吸收光谱 ultraviolet-visible absorption spectrum

利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸收光谱图，可进行化合物结构分析，根据最大吸收波长强度变化可进行定量分析。



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9. 红外吸收光谱分析法 infrared absorption spectrometry

利用分子中基团吸收红外光产生的振动 - 转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法。

10. 核磁共振波谱分析法 nuclear magnetic resonance spectr

oscopy

在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为能量不同的核磁能级，吸收射频辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行有机化合物结构分析。



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11. 顺磁共振波谱分析法 paramagnetic resonance spectrosco

py

在外磁场的作用下，电子的自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为磁量子数不同的磁能级，吸收微波辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行结构分析。

12. 旋光法 polarimetry

溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系，可利用旋光法研究某些天然产物及配合物的立体化学问题，旋光计测定糖的含量。



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13. 衍射法 diffraction X 射线衍射 X-ray diffraction ：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图。电子衍射：电子衍射 electron diffraction analysis 是透射电子显微镜的基础，研究物质的内部组织结构。

几个名词 Spectrometry 光谱法 spectrum 光谱 spectroscopy光谱学 spectrometer 光谱仪



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光谱仪器通常包括五个基本单元：1. 光源；2. 单色器；3. 样品池；4. 检测器；5. 显示与数据处理；

光谱法仪器


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三种光分析法测量过程示意图


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光分析法仪器的基本单元

1. 光源依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等；依据光源性质不同，分为：

连续光源：在较大范围提供连续波长的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等；线光源：提供特定波长的光源，金属蒸气灯 ( 汞灯、钠蒸气灯 ) 、空心阴极灯、激光等；


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2. 单色器单色器：获得高光谱纯度辐射束的装置，而辐射束的波长可在很宽范围内任意改变；主要部件：（ 1 ）进口狭缝；（ 2 ）准直装置 ( 透镜或反射镜 ) ：使辐射束成为平行光线；（ 3 ）色散装置 ( 棱镜、光栅 ) ：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；（ 4 ）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像。


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棱镜

棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光，折射率小；波长短的光，折射率大。平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；

棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料；棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；


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（ 1 ）色散率

• 角色散率：用 dθ/dλ表示，偏向角 θ对波长的变化率；

d

d

2sin1

2sin2

d

d

22

n

n

棱镜的顶角越大或折射率越大，角色散率越大，分开两条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通常为 60 度角；线色散率：用 dl /dλ 表示，两条相邻谱线在焦面上被分开的距离对波长的变化率；倒线色散率：用 dλ/dl 表示，


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（ 2 ）分辨率

相邻两条谱线分开程度的度量：

d

dnbR

λ ：两条相邻谱线的平均波长；△λ ：两条谱线的波长差；b ：棱镜的底边长度；n ：棱镜介质材料的折射率。

分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。


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光栅

• 透射光栅，反射光栅；• 光栅光谱的产生是多狭缝

干涉与单狭缝衍射共同作用的结果，前者决定光谱出现的位置，后者决定谱线强度分布；


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光栅的分辨率 R

光栅的分辨率 R 等于光谱级次（ n ）与光栅刻痕条数（ N

）的乘积：NnR

光栅越宽、单位刻痕数越多、 R 越大。

宽度 50mm ， N=1200 条 /m

m ，一级光谱的分辨率： R=1×50×1200=6×104


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• 在原子发射光谱分析中，• 定性分析时，减小狭缝宽度，使相邻谱线的分辨率提高；

• 定量分析时，增大狭缝宽度，可使光强增加。• 狭缝两边的边缘应锐利且位于同一平面上。• 3. 吸收池• 盛放试样的吸收池（比色皿、样品池）有透明材料组成。• 在紫外光区永石英材料• 可见光区用硅酸盐• 红外光区用不同材料的晶体


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4. 检测器

（ 1 ）光检测器主要有以下几种：硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、半导体检测器；（ 2 ）热检测器主要有：真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种；热电检测器：把光信号转化为电信号（）其他：感光板（ AES）5. 读出装置（信号、与数据处理系统）现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信号处理、数据分析、结果打印，工作站软件系统；


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