信
号
光学信号
电学信号
热力学信号等
第二章 光谱分析导论
教学目标
1．清楚理解物质与电磁辐射相互作用所产生
的各种光谱
2．清晰光谱分析法分类的线索
3,了 解光谱法的基本仪器部件
它们的共同特点是：
一束 光（能量） 照在需要测定的 物
质 上，这束光就可能发生某种 改变,
通过测定这种光的改变或新产生的光，
使得人们了解待测物质的信息。
氢火焰 原子吸收光谱
紫外可见 紫外可见光谱
红外 红外光谱
原子 原子光谱
分子 分子光谱
吸收 吸收光谱
发射 发射光谱
散射 拉曼光谱
重点需要解决的是, 物质的信
息是如何负载到光学信号中去的。
第一节 光的性质
一,光的波动性
参数,λ （波长） -空间参数
?（频率） -时间参数
C（光速 ） ;
σ ＝ 1／ λ （波数） ;
? ＝ C／ λ ＝ C σ
单色光 ---只含一种频率或波长的光。
复合光 ---含多种频率或波长的光。
散射光 (杂散光 )---指定波长外的光。
光谱的特征波长：
定性、结构分析
两个重要推论：
物质粒子存在不连续的能态，各能态具有特定的能
量。当粒子的状态发生变化时，该粒子将吸收或发射完
全等于两个能级之间的能量差；
反之亦是成立的，即 ?E =E1-E0
二、光的微粒性
微粒性参数, E
E=h?=hC/λ
h— Planck’s constant(普朗克常数 )
h=4.14× 10-15ev.sec =6.625× 10-27erg.sec= 6.625× 10-34J.sec
C=3× 1010cm/sec
One photon energy:
E=1240/λ (ev) λ 的单位为 nm
光谱的强度：
定量分析
紫 兰 绿 黄 橙 红
300 400 500 600 700 800nm
可见光区
宇宙射线 γ射线 X射线 远紫外 红外 微波区 无线电波
10-6 10-3 10-1 101 103 105 109 1012
E λ
<10nm 10nm－ 1mm >1mm
>124ev 102ev－ 10－ 3ev <10-3ev
能谱分析 光谱分析 波谱分析
X－衍射分析 紫外, 可见 核磁共振
穆斯堡尔谱 红外, 原子吸收 顺磁共振
三、电磁波谱
在中红外区域, 常用波数代替波长, 波数与波长
的相互关系为：
波长 可见光区,λ=400～ 800nm
中红外光区,λ=2.5～ 25μm
紫外光区,λ=200～ 400nm
?? /1?
σ单位,cm-1，物理意义,1cm
的间距内有多少个光波
(4000－ 400 cm-1)
第二节 原子与分子的能级及电子在能级间的跃迁
基态电子
激发态电子
原子核
Li原子示意图
原子结构及跃迁
1S
2S
2P
3S
E’3
E2’ 激发态
E’1
h ?=△ E
E0 ? ? ? 基态
一、原子能级间的跃迁, ΔE 1--20 ev
UV-Vis spctrum
电子能级间的跃迁,属电子光谱,线状光谱。
A
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 nm
二、分子的能级及电子在能级间的跃迁
v’3 J ‘
v’2 J ‘ 电子
v1’ 激发态
v’o J
v3
v2 J 电子
v1 J 基态
v0 J
电子 振动 转动
能级 能级 能级
理想 分子光谱的示意图
A 紫外 可见 红外 远红外 微波
电子跃迁
振动精细结构
振动跃迁
转动精细结构
转动跃迁
200 2000 20000 波长 (nm)
分子能级 能级差 反映的信息
电子能级 △ E 1--20 ev 反映价电子能量状
（紫外可见波区） 况等 信息可给出物质
的化学性质的信息。
(主要用于定量测定 )
振动能级 △ E 0.05--1 ev 反映价键特性等结
（红外波区） 构信息。主要用于定
性，定量比 UV/Vis 差。
转动能级 △ E 0.05-0.005ev 反映分子大小、键
（远红外区） 长度、折合质量等分
子特性的信息。
原子光谱和分子光谱特征
由处于气相的单个原子发生电子能级跃迁所产生的锐线，线宽大约为 10-4A。
纯 电子能态 间跃迁
S2
S1
S0
S3
h? E2
E0
E1
E3
S2
S1
S0
h? A
?
分子内电子跃迁 带状光谱
线状光谱 ?
A
分子形成带状光谱的原因
1、能级之间的能量间距非常小，导致跃迁所产
生的谱线非常多，间距非常小，易于重叠。
2、色散元件难以将谱线完全分开
原子光谱和分子光谱的比较
原子光谱
电子能级的电子跃迁
电子光谱
线状光谱
分子光谱
紫外可见 红外
电子能级的电子跃迁
兼有振动精细结构的
电子光谱
带状光谱
振动能级的电子跃迁
兼有转动精细结构的
振动光谱
带状光谱
原子光谱和分子光谱特征
由处于气相的单个原子发生电子能级跃迁所产生的锐线，线宽大约为 10-4A。
纯 电子能态 间跃迁
S2
S1
S0
S3
h? E2
E0
E1
E3
S2
S1
S0
h? A
?
分子内电子跃迁 带状光谱
线状光谱 ?
A
Na Sr Ca Fe Cu Mg Zn
波长 589.0 460.7 244.7 372.0 324.8 285.2 213.0
E 2.104 2.690 2.932 3.332 3.817 4.346 5.795
C C
C lH
H H
C C
C lH
H H
H
λmax 165(nm) λmax 170(nm)
三、物质和光的作用
当一束光照射到物体上时,除透过部分光与分子没有作
用外,物质将吸收和散射一部分光。
1,物质吸收光的过程
分子吸收光能,吸收时间极短,只有 10-15 sec.,电子由基
态跃迁到较高能态的激发态。
X + hv → X*
激发态的寿命很短,约为 10-8 sec.,然后以发生光物理和
光化学反应后,以下列形式回到基态。
2、物质吸收和发光的过程示意图
第二激发态
第一激发态
h ?=△ E 三重态
振动能级 基态
吸收 无辐射退激 荧光 磷光 共振发射
不发光，发
热
发光，波长最
短，不发热
发光，波长
最长，发热
发光，波长
变长，发热
3、物质散射光的过程示意图
第二激发态
第一激发态
h ?=△ E 三重态
振动能级 基态
A B C
A 斯托克斯散射 B。瑞利散射 C反斯托克斯散射
无散射 散射波
长变短
散射波
长变长
第三节 光谱仪
一、光谱仪的作用,
通过分析过程的信号传递,取得样品的真实光谱，
从而对待测的物质加以分析。
二、光谱仪的基本构成,
1,*:光源
2、△,单色器
3、□,样品池
或 ⊙, 原子化器
4、◎,检测器
5,∽,信号转换、处理器
6、■, 显示器
1,光源
光谱分析中，光源必须具有足够的输出功率和稳
定性。由于光源辐射功率的波动与电源功率的变化
成指数关系，因此往往需用稳压电源以保证稳定，
或者用参比光束的方法来减少光源输出的波动对测
定所产生的影响。光源有连续光源和线光源等。一
般连续光源主要用于分子光谱中。连续光源有紫外
光源，主要是采用氢灯，氘灯或氙灯；可见光源，
常用的是钨丝灯、卤钨灯；红外光源，常用的是硅
碳棒、能斯特灯等。线光源主要用于原子光谱中，
线光源有金属蒸气灯，常见的是汞或钠蒸气灯、空
心阴极灯，用于原子吸收光谱中，还有激光光源。
2,单色器
光学分析仪器几乎都有单色器，它的作用是将复合
光分解成单色光或有一定宽度的谱带。单色器由入射
光狭缝和出射光狭缝、准直镜以及色散元件所组成。
其中色散元件是最主要的部件，色散元件有棱镜和光
栅两种。由于光栅的色散能力和分辨本领均大大优于
棱镜，所以现在的光学分析仪器已大部分采用光栅色
散元件。
配备单色器的光学分析仪器称为色散型的仪器，现
代一些精密仪器利用光的干涉原理制成仪器，称为干
涉型的仪器，如傅里叶交换红外光谱仪。
3,样品容器
盛放样品的容器必须由光透明的材料制成。在紫外
光区工作时，采用石英材料；在可见光区工作时，则
用硅酸盐玻璃材料；在红外光区工作时，则可根据不
同的波长范围选择不同的材料（主要有碱金属或碱土
金属的卤化物）的晶体，制成样品池的窗口。样品容
器主要用于分子光谱中，原子光谱的样品引入有较大
的差异，将在有关章节中阐述。
4,检测器
在光学分析仪器中，用光电转换器件作为检测器。这
类检测器必须在一个宽的波长范围内对辐射有响应，在
辐射能量较低时响应应灵敏，对辐射的响应速度要快，
响应信号要容易放大，噪声水平要低，而更重要的是响
应信号应与照射光的强度 I成线性关系。
检测器可分为两类，一类对光子有响应的光检测器，
如硒光电池、光电管（也称真空光电二极管）、光电倍
增管、半导体检测器和硅二管阵列检测器等；另一类为
对热产生响应的热检测器，这种检测器用于红外光谱法，
利用红外光的热效应使检测器产生响应信号，如真空热
电偶、测热辐射计、高莱池和热释电检测器等。
5,读出装置
由检测器将光信号转换为电信号并经放大后，可
用检流计、微安表、记录仪、数字显示器或阴极射
线显示器显示或记录测定结果。
本章需要掌握的内容
名词解释,
单色光, 复合光, 杂散光
填空题：
1,物质发光的方式有哪几种？
2,物质散射光的方式有哪几种？
简答题：
1,光谱分析的种类？
2,光的波粒二相性与光谱分析的关系？
3,整个电磁波谱中可以分为哪三大类型？
4,光谱分析中最为重要的三个波区 （ 紫外, 可见, 红外 ） 对应的波长范围？
问答题：
1,原子光谱和分子光谱的异同？
2,带状光谱形成的原因？
3,光谱仪的基本构成？ 各自的作用？ 在光路图中吸收和发射光谱仪有何区别？
计算题：
三个重要公式的相关计算,ν＝ υ／ λ,υ＝ C／ n,E=hν。
其中 C=2.9979× 108m/s,h=6.625× 10-34J.s
号
光学信号
电学信号
热力学信号等
第二章 光谱分析导论
教学目标
1．清楚理解物质与电磁辐射相互作用所产生
的各种光谱
2．清晰光谱分析法分类的线索
3,了 解光谱法的基本仪器部件
它们的共同特点是：
一束 光（能量） 照在需要测定的 物
质 上，这束光就可能发生某种 改变,
通过测定这种光的改变或新产生的光，
使得人们了解待测物质的信息。
氢火焰 原子吸收光谱
紫外可见 紫外可见光谱
红外 红外光谱
原子 原子光谱
分子 分子光谱
吸收 吸收光谱
发射 发射光谱
散射 拉曼光谱
重点需要解决的是, 物质的信
息是如何负载到光学信号中去的。
第一节 光的性质
一,光的波动性
参数,λ （波长） -空间参数
?（频率） -时间参数
C（光速 ） ;
σ ＝ 1／ λ （波数） ;
? ＝ C／ λ ＝ C σ
单色光 ---只含一种频率或波长的光。
复合光 ---含多种频率或波长的光。
散射光 (杂散光 )---指定波长外的光。
光谱的特征波长：
定性、结构分析
两个重要推论：
物质粒子存在不连续的能态，各能态具有特定的能
量。当粒子的状态发生变化时，该粒子将吸收或发射完
全等于两个能级之间的能量差；
反之亦是成立的，即 ?E =E1-E0
二、光的微粒性
微粒性参数, E
E=h?=hC/λ
h— Planck’s constant(普朗克常数 )
h=4.14× 10-15ev.sec =6.625× 10-27erg.sec= 6.625× 10-34J.sec
C=3× 1010cm/sec
One photon energy:
E=1240/λ (ev) λ 的单位为 nm
光谱的强度：
定量分析
紫 兰 绿 黄 橙 红
300 400 500 600 700 800nm
可见光区
宇宙射线 γ射线 X射线 远紫外 红外 微波区 无线电波
10-6 10-3 10-1 101 103 105 109 1012
E λ
<10nm 10nm－ 1mm >1mm
>124ev 102ev－ 10－ 3ev <10-3ev
能谱分析 光谱分析 波谱分析
X－衍射分析 紫外, 可见 核磁共振
穆斯堡尔谱 红外, 原子吸收 顺磁共振
三、电磁波谱
在中红外区域, 常用波数代替波长, 波数与波长
的相互关系为：
波长 可见光区,λ=400～ 800nm
中红外光区,λ=2.5～ 25μm
紫外光区,λ=200～ 400nm
?? /1?
σ单位,cm-1，物理意义,1cm
的间距内有多少个光波
(4000－ 400 cm-1)
第二节 原子与分子的能级及电子在能级间的跃迁
基态电子
激发态电子
原子核
Li原子示意图
原子结构及跃迁
1S
2S
2P
3S
E’3
E2’ 激发态
E’1
h ?=△ E
E0 ? ? ? 基态
一、原子能级间的跃迁, ΔE 1--20 ev
UV-Vis spctrum
电子能级间的跃迁,属电子光谱,线状光谱。
A
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 nm
二、分子的能级及电子在能级间的跃迁
v’3 J ‘
v’2 J ‘ 电子
v1’ 激发态
v’o J
v3
v2 J 电子
v1 J 基态
v0 J
电子 振动 转动
能级 能级 能级
理想 分子光谱的示意图
A 紫外 可见 红外 远红外 微波
电子跃迁
振动精细结构
振动跃迁
转动精细结构
转动跃迁
200 2000 20000 波长 (nm)
分子能级 能级差 反映的信息
电子能级 △ E 1--20 ev 反映价电子能量状
（紫外可见波区） 况等 信息可给出物质
的化学性质的信息。
(主要用于定量测定 )
振动能级 △ E 0.05--1 ev 反映价键特性等结
（红外波区） 构信息。主要用于定
性，定量比 UV/Vis 差。
转动能级 △ E 0.05-0.005ev 反映分子大小、键
（远红外区） 长度、折合质量等分
子特性的信息。
原子光谱和分子光谱特征
由处于气相的单个原子发生电子能级跃迁所产生的锐线，线宽大约为 10-4A。
纯 电子能态 间跃迁
S2
S1
S0
S3
h? E2
E0
E1
E3
S2
S1
S0
h? A
?
分子内电子跃迁 带状光谱
线状光谱 ?
A
分子形成带状光谱的原因
1、能级之间的能量间距非常小，导致跃迁所产
生的谱线非常多，间距非常小，易于重叠。
2、色散元件难以将谱线完全分开
原子光谱和分子光谱的比较
原子光谱
电子能级的电子跃迁
电子光谱
线状光谱
分子光谱
紫外可见 红外
电子能级的电子跃迁
兼有振动精细结构的
电子光谱
带状光谱
振动能级的电子跃迁
兼有转动精细结构的
振动光谱
带状光谱
原子光谱和分子光谱特征
由处于气相的单个原子发生电子能级跃迁所产生的锐线，线宽大约为 10-4A。
纯 电子能态 间跃迁
S2
S1
S0
S3
h? E2
E0
E1
E3
S2
S1
S0
h? A
?
分子内电子跃迁 带状光谱
线状光谱 ?
A
Na Sr Ca Fe Cu Mg Zn
波长 589.0 460.7 244.7 372.0 324.8 285.2 213.0
E 2.104 2.690 2.932 3.332 3.817 4.346 5.795
C C
C lH
H H
C C
C lH
H H
H
λmax 165(nm) λmax 170(nm)
三、物质和光的作用
当一束光照射到物体上时,除透过部分光与分子没有作
用外,物质将吸收和散射一部分光。
1,物质吸收光的过程
分子吸收光能,吸收时间极短,只有 10-15 sec.,电子由基
态跃迁到较高能态的激发态。
X + hv → X*
激发态的寿命很短,约为 10-8 sec.,然后以发生光物理和
光化学反应后,以下列形式回到基态。
2、物质吸收和发光的过程示意图
第二激发态
第一激发态
h ?=△ E 三重态
振动能级 基态
吸收 无辐射退激 荧光 磷光 共振发射
不发光，发
热
发光，波长最
短，不发热
发光，波长
最长，发热
发光，波长
变长，发热
3、物质散射光的过程示意图
第二激发态
第一激发态
h ?=△ E 三重态
振动能级 基态
A B C
A 斯托克斯散射 B。瑞利散射 C反斯托克斯散射
无散射 散射波
长变短
散射波
长变长
第三节 光谱仪
一、光谱仪的作用,
通过分析过程的信号传递,取得样品的真实光谱，
从而对待测的物质加以分析。
二、光谱仪的基本构成,
1,*:光源
2、△,单色器
3、□,样品池
或 ⊙, 原子化器
4、◎,检测器
5,∽,信号转换、处理器
6、■, 显示器
1,光源
光谱分析中，光源必须具有足够的输出功率和稳
定性。由于光源辐射功率的波动与电源功率的变化
成指数关系，因此往往需用稳压电源以保证稳定，
或者用参比光束的方法来减少光源输出的波动对测
定所产生的影响。光源有连续光源和线光源等。一
般连续光源主要用于分子光谱中。连续光源有紫外
光源，主要是采用氢灯，氘灯或氙灯；可见光源，
常用的是钨丝灯、卤钨灯；红外光源，常用的是硅
碳棒、能斯特灯等。线光源主要用于原子光谱中，
线光源有金属蒸气灯，常见的是汞或钠蒸气灯、空
心阴极灯，用于原子吸收光谱中，还有激光光源。
2,单色器
光学分析仪器几乎都有单色器，它的作用是将复合
光分解成单色光或有一定宽度的谱带。单色器由入射
光狭缝和出射光狭缝、准直镜以及色散元件所组成。
其中色散元件是最主要的部件，色散元件有棱镜和光
栅两种。由于光栅的色散能力和分辨本领均大大优于
棱镜，所以现在的光学分析仪器已大部分采用光栅色
散元件。
配备单色器的光学分析仪器称为色散型的仪器，现
代一些精密仪器利用光的干涉原理制成仪器，称为干
涉型的仪器，如傅里叶交换红外光谱仪。
3,样品容器
盛放样品的容器必须由光透明的材料制成。在紫外
光区工作时，采用石英材料；在可见光区工作时，则
用硅酸盐玻璃材料；在红外光区工作时，则可根据不
同的波长范围选择不同的材料（主要有碱金属或碱土
金属的卤化物）的晶体，制成样品池的窗口。样品容
器主要用于分子光谱中，原子光谱的样品引入有较大
的差异，将在有关章节中阐述。
4,检测器
在光学分析仪器中，用光电转换器件作为检测器。这
类检测器必须在一个宽的波长范围内对辐射有响应，在
辐射能量较低时响应应灵敏，对辐射的响应速度要快，
响应信号要容易放大，噪声水平要低，而更重要的是响
应信号应与照射光的强度 I成线性关系。
检测器可分为两类，一类对光子有响应的光检测器，
如硒光电池、光电管（也称真空光电二极管）、光电倍
增管、半导体检测器和硅二管阵列检测器等；另一类为
对热产生响应的热检测器，这种检测器用于红外光谱法，
利用红外光的热效应使检测器产生响应信号，如真空热
电偶、测热辐射计、高莱池和热释电检测器等。
5,读出装置
由检测器将光信号转换为电信号并经放大后，可
用检流计、微安表、记录仪、数字显示器或阴极射
线显示器显示或记录测定结果。
本章需要掌握的内容
名词解释,
单色光, 复合光, 杂散光
填空题：
1,物质发光的方式有哪几种？
2,物质散射光的方式有哪几种？
简答题：
1,光谱分析的种类？
2,光的波粒二相性与光谱分析的关系？
3,整个电磁波谱中可以分为哪三大类型？
4,光谱分析中最为重要的三个波区 （ 紫外, 可见, 红外 ） 对应的波长范围？
问答题：
1,原子光谱和分子光谱的异同？
2,带状光谱形成的原因？
3,光谱仪的基本构成？ 各自的作用？ 在光路图中吸收和发射光谱仪有何区别？
计算题：
三个重要公式的相关计算,ν＝ υ／ λ,υ＝ C／ n,E=hν。
其中 C=2.9979× 108m/s,h=6.625× 10-34J.s
