光谱技术在水质监测中的进展(二)
1 光谱分析法的基本原理[7]
1. 1 吸收光谱
众所周知,物质是由原子构成的。原子的主要结构包括位于中央的原子核和其外时刻在运动着的核外电子两部分。由能量最低原理,通常情况下原
子处于能量都比较低的稳定状态,也称其为基态。但当原子受到外界能量( 如热能、电能等) 的作用时,原子由于与高速运动的气态粒子和电子相互碰撞而获得了能量,使原子中外层的电子从基态跃迁到更高的能级上,处在这种状态的原子称激发态。如果原子中的核外电子由基态到激发态跃迁所需的能量是由光能提供的,且提供的能量数值上与某一能级能量与最低能基态的差相等时,原子就可以恰好将提供能量的光吸收。这样原来提供能量的光经分光后谱线中便缺少了一些特征光谱线,从而产生原子吸收光谱。吸收光谱原理是对样品进行检测时先让其变成蒸汽,明确要对哪种元素进行检测后进行操作,使蒸汽吸收预检测元素的特征光谱,通过剩下的强度计算被吸收的量,从而确定元素含量。
1. 2 发射光谱
可以变成激发态的原子或分子的能量来源有电能、热能或光能。由于激发态的原子能量较高,因此将向能量低的能级跃迁或者返回到基态,这个过程经过的时间较长大概需要10 - 8 s 左右,所以激发态的原子或分子是极不稳定的。而在核外电子由能量高的层级跃迁到能量低的层级时,会以光的形式将过程中多余的能量散发出去,这就是原子发射光谱的具体过程。发射光谱在分析样品中的某个物质含量时是依照被测的不同分子或原子从激发态变成基态时所发出光的强度不同来计算的。与文章介绍的吸收光谱不同的是,吸收光谱是原子将辐射的能量进行了吸收所得,而发射光谱则是释放辐射能量。
1. 3 散射光谱
当电磁波与物质发生接触时,一部分光子由于与物质发生碰撞偏离了最初的运动轨道而朝着不同方向传播,这时便发生了散射现象。印度科学家拉
曼于1928 年首先发现了这一现象,所以将散射时产生的光谱命名为拉曼散射光谱简称为拉曼光谱,而这种散射则命名为拉曼散射。对发生了碰撞产生反射的那一部分光子,将其命名为散射基元。广泛意义上来说散射基元不仅可以是光子,还可以是构成物质的分子以及电子等。散射波取决于物质结构及入射波的波长大小等因素。散射光与入射光之间的频率差v 称为拉曼位移。拉曼位移与入射光频率无关,它只与散射分子本身的结构有关。拉曼位移取决于分子振动能级的变化,不同化学键或基团有特征的分子振动。拉曼散射是由于分子极化率的改变而产生的ΔE 反映了指定能级的变化,因此与之对应的拉曼位移也是特征量。这是拉曼光谱可以作为分子结构定性分析的依据
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