光谱学原理课件.ppt

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1、光譜學原理1電磁波n也就是俗稱的光，具有波的性質，是以光速在空間傳播的一種能量形式。n電磁波也具有粒子（光子）的特性，與物質作用時會有折射、反射和能量轉移的現象n電磁波產生-燈泡以鎢絲為發光體，鎢絲會發光是由於電流加熱，使鎢絲內原子軌道電子產生移動而釋放能量的現象，所釋放的能量即是以電磁波的形式在空間傳播，當釋放的電磁波波長為可見光範圍時，便照亮了黑暗。2電磁波的能量n電磁波的能量即是每一光子所攜帶的能量n公式計算：E=h=hc/(E：能量，c：光速，：頻率，：波長，h：蒲朗克常數)。n電磁波能量大小是和波長成反比，和頻率成正比。3n一般而言，波長短的電磁波對物質穿透性強，容易破壞生物細胞組織

2、，例如核能反應產生的射線。n醫學所用的短波長X光光射線也要控制在安全強度以下，以免傷害人體。4電磁波種類n目前所發現的電磁波種類包括了極短波長的射線和X光射線，經紫外光、可見光、紅外光，到長波長的微波和無線電波。n只有可見光可為人類肉眼所見。5n物質受到電磁波能量後所產生的原子或分子的運動，能量愈大的光，影響愈深層。n能量較小時，分子產生轉動、振動、平移、外層電子移動等。n能量較大時，則會使原子內部軌道的電子產生遷移，此時能量變化所產生的電磁波能量非常強，X 光射線即是由此產生，射線更是由原子核變化而生成。6光譜分析n光譜分析主要分為以下種：(1)吸收(2)螢光(3)磷光(4)散射 (5)發射

3、。n其量測儀器各有不同，其基本元件極為相似。n不管波長範圍是 UV、VIS、IR，這些元件的之原理仍相同。7光譜分析儀器n分光鏡(spectroscope)：以視覺分辨譜線之光學儀器。構造為單色器及一目鏡，由目鏡之位置算出譜線之波長。n攝譜儀(spectrograph)：構造如單色器，在聚焦面用底片記 錄光譜。8n光度計(photometer)：具有光源、濾光鏡、偵測器、讀出裝置 n分光計(spectrometer)：具有固定光隙的單色器。n分光光度計(spectrophotometer)：具有光電偵檢器的分光計。n螢光計(fluorometer)：測量螢光之光度計9光譜分析儀器的基本構造n光

4、譜分析儀器的五大部份 (1)光源 (2)樣品槽 (3)波長選擇器 (4)偵測器 (5)訊號處理及讀出10光譜儀器常用之光源n連續光源n譜線光源n雷射11連續光源nUV光源通常用氘氣燈，特殊需要時可用(含高壓 Ar,Xe,Hg 氣體)的電弧燈。n可見光源一般用鎢絲燈。nIR光源通常為加熱到 15002000 K 的惰性固體。12譜線光源n主要應用於原子吸收光譜、原(分)子螢光光譜、拉曼光譜。nAA及螢光分析主要用中空陰極管(HCL)及無電極放電管(EDL)當光源。13雷射n應用於分子吸收光譜、發射光譜。n特性為高強度、窄帶寬、同調性。14波長選擇器n光譜分析通常須要窄頻帶以提高靈敏度。n波長選擇

5、器可分為濾光鏡及單色器。15濾光鏡n吸收式濾光鏡：以玻璃材質最常見n干涉型濾光鏡：應用頻率範圍從UV 到IR 16吸收式濾光鏡n材質：玻璃、塑膠等，以玻璃製者最常見。n有效帶寬為 30250 nm，越窄則所吸收光越多。n吸收式的效率較干涉式差帶寬大、透光率低、便宜。17干涉型濾光鏡n將介電質(如 CaF2 MgF2 SiO2)夾於二部份反射金屬(通常為Ag)膜間，當光通過時，由於建設性干涉，僅通過特定波長=2nt/m。n應用頻率範圍從 UV 到 IR(14 m)。1819單色器n產生具有波長及譜帶之光線，調整輸出功率(throughput)n單色器包含(1)入口光隙(entrance slit

6、)(2)準直器(collimator)聚集入射光(3)光柵(grating)或稜鏡(prism)(4)聚焦元件(5)出口光隙。2021光柵n光柵是一種光學儀器，由一組細密的狹縫組成。n當光通過時會產生很多光束，互相干涉下會形成干涉圖形。n過程：光線經由入口光隙進入，由準直器集中投射於分光元件，而後聚焦於聚焦面上之出口光隙。n轉動分光元件，離開出口光隙之波長隨之改變。22偵測器n偵測器之信號：S=kP+kd (S為信號，P為輻射能，kd為暗電流)n分類：(1)光電類偵檢光子(2)熱電類偵檢熱能主要用於 IR）23光電偵測器n(1)光電池(photovoltaic cell)n(2)光電管(pho

7、toemissive tube)n(3)光電倍增管(photomultiplier tube)n(4)光導偵測器(photoconductivity detector)n(5)光二極體(photodiode)24光電池(photovoltaic cell)25光電管(photoemissive tube)n構造：為一真空管，半圓柱形陰極之感光面塗以感光物（通常為鹼金屬）n光電效應：當光照射感光物時，釋出電子，為陽極吸引而產生電流，兩電極之電壓通常為 90V。n通常光電管有暗電流，係由熱及天然輻射所產生26光電管(photoemissive tube)27光電倍增管n為一真空管，具有一感光陰極，

8、及一組電子倍增(electron multiplying)電極。n當陰極感光而釋出電子時，受到靜電場之聚焦，射向第一支電極(dynode)。n電極上所塗之化合物(BeO,GaP,CsSb)，受到高能電子撞擊，會釋出數個電子。n這些二級電子，則被靜電場導向第二支電極，產生更多的電子。如此重複數次後抵達陽極，達到電流內部放大(internal amplification)效果。2829光導偵測器n構造：為一矽半導體構成。n感光原理：當光子撞擊二極體，將電子提升至導電帶而產生電流。此電流正比於入射光能。n一般僅能偵測可見光及近紅外線。為光電管的十倍以上，但遠小於光電增幅管。3031光二極體(phot

9、odiode)n由多個小光二極體組合而成。可用以同時偵測一維或二維之光信號。n通常有 1024 個偵測元件。使用時，將其置於出口光隙，不需轉動分光元件，即可得到光譜。3233多頻偵檢器n可同時偵檢多個頻率 n(1)二極體陣列(diode array)n(2)Vidicon-由 15000/mm2 以上之矽光二 極體構成，類似電視攝影機之真空管。n(3)電荷移轉偵檢器(CCD)-由一系列之半導體電容所構成。34信號處理與讀出n信號處理：包括放大、整流、改變相位、濾波，以及微分、積分、對數等。n簡單型儀器：係將光譜直接轉成直流信號，用電表、記錄器、或電腦螢幕顯示。n光子計數：光電倍增管輸出為脈衝形式之電流。35