大学物理实验——分光光度计

大学物理实验——分光光度计

• 1. 实验目的
• 2. 实验器材
• 3. 实验原理
• • 一、分子吸收光谱
  • 二、分子吸收光谱的分类
  • 三、 分子吸收光谱的形状
  • 四、吸收光谱的特征及其表示方法
• 4. 实验记录
• 5. 思考题及实验小结
• • 问题1
  • 问题2
  • 实验小结：

1. 实验目的

1. 理解紫外-可见吸收光谱的产生；
2. 较为系统、深入地掌握各种电子跃迁所产生的吸收带及其特征、应用；
3. 紫外吸收光谱与分子结构的关系（无机化合物的电子跃迁类型及紫外可见吸收光谱；
   有机化合物的电子跃迁类型及紫外可见吸收光谱）；
4. 紫外-可见分光光度计(结构与主要部件;仪器类型;单光束、双光束、双波长分光光度
   计)；
5. 紫外-可见分子吸收光谱的特点与应用（有机化合物的鉴定；定量分析方法）；
6. 熟练掌握吸收定律的应用。

2. 实验器材

检测器
样品池
单色器
光栅
钨灯
氚灯

3. 实验原理

一、分子吸收光谱

分子吸收光谱的产生分子，甚至是最简单的双原子分子的光谱，要比原子光谱复杂得多。这是由于在分 子中，除了电子相对于原子核的运动外，还有组成分子的原子的原子核之间相对位移引 起的分子振动和转动。分子中的电子处于相对于核的不同运动状态就有不同的能量，处 于不同的转动运动状态代表不同的能级，即有电子能级、振动能级和转动能级。分子总 的能量可以认为是这三种运动能量之和。即
E ＝ Ee+ Ev+ Er
式中Ee为电子能量 ，Ev为振动能量，Er转动能量。图 13.1 是双原子分子的能级示意图， 图中A、B表示不同能量的两个电子能级，在每个电子能级中还分布着若干振动能量不 同的振动能级，它们的振动量子数V=0、1、2、3……表示，而在同一电子能级和同一电 子能级和同一振动能级中，还分布着若干能量不同的转动能量，它们的转动能量数J=0、 1、2、3……表示。

二、分子吸收光谱的分类

由于三种能级跃迁所需要的能量不同，所以需要不同的波长范围的电磁辐射使其跃迁， 即在不同的光学区域产生吸收光谱。相应地将分子吸收光谱分为三类：远红外光谱、红 外光谱和紫外—可见吸收光谱。
转动能级间的能量差ΔEr约为：0.005～0.05eV。根据λ=hc/ΔE，可计算出产生转动能 级跃迁需要吸收的光谱位于远红外区（250 ~ 2 5 m） , 称远红外光谱或分子转动光 谱。
分子振动能级间的能量差ΔEv 约为： 0.05～1eV。根据λ=hc/ΔE，可计算出，振动 能级跃迁产生的吸收光谱位于红外区(25~1.25μm)，称红外光谱或分子振动光谱。 振动能级跃迁时不可避免地会产生转动能级间的跃迁。即振动光谱中总包含有转动 能级间跃迁，因而产生光谱也叫振动-转动光谱。分子电子能级的能量差ΔEe : 1～20eV。根据λ=hc/ΔE，可计算出，电子跃迁产生的 吸收光谱主要位于紫外—可见光区(1.25~0.06μm)，称紫外—可 见光谱或分子的电 子光谱。
电子能级跃迁时不可避免地会产生振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含 有振动能级和转动能级间跃迁，因而产生的谱线呈现宽谱带。紫外—可见光谱实际上是 电子-振动-转动光谱。

三、 分子吸收光谱的形状

分子振动能级跃迁的能量变化 大约比 小 10 倍，一般在 0.05～1eV 之间，在 电子能级跃迁时，必然伴随着分子振动能级的 跃迁；分子转动能级跃迁的能量变化 ；大 约比 小 10 至 100 倍，在分子的电子能级跃 迁和振动能级跃迁时，必然伴随着转动能级的 跃迁，如图 13.2 所示，能级跃迁可以从电子能 级 A 的 V=0， J=0 跃迁至电子能级 B 的 V=0， J=1 或 V=1，J=2，也可以由 A 能级的 V=1，J=1
跃迁到 B 能级的 V=0，J=2 或 V=2 ，J=3，等等，亦即在一个电子能级跃迁中可以包含 着许许多多的振动能级和转动能级的跃迁。因为比小约 10 倍，所以振动能级跃迁所吸收的电磁辐射的波长间距仅为电子跃迁的 1/16，而又比小约 10～100 倍，所以转动能级跃迁所吸收的电磁辐射的波长间距仅为电子跃迁的 1/100 至 1/1000 ，如此小的波长间距，使分子的紫外—可见光谱在宏观上呈现带状，称为带状光谱。

四、吸收光谱的特征及其表示方法

吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长 λmax，λmax 和 ε 是定性的主要依据吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。 透光率 （透射比）T 表示透射光强度与入射光强度之比吸光度 A 表示溶液对入射光的吸收程度。

4. 实验记录

可以看出波长为500nm时透射率为极大值，600nm、700nm为极小值。

5. 思考题及实验小结

问题1

简述分光光度计积分球的原理及作用。
分光光度计积分球是一种用于测量样品反射或透射光谱的装置，其原理和作用涉及光学测量和光学几何的考虑。下面简要介绍分光光度计积分球的原理和作用：
原理：
反射和透射： 积分球适用于测量样品的反射光谱和透射光谱。对于反射测量，样品被放置在积分球的入射口，光源照射到样品表面，而反射的光被积分球捕捉。对于透射测量，样品被置于积分球的样品台上，透射的光被积分球接收。
均匀照明： 积分球内部涂有高反射率的白色涂层，以确保光在球内均匀分布。这样，无论光线从何处进入，都会被均匀地散射在球内，使得来自所有方向的光都能被积分测量。
均匀检测： 探测器位于积分球的侧面，用于测量球内散射的光。通过探测器测量的信号是由于样品表面的反射或透射引起的，而不是直接从光源发出的光。
光学几何校正： 积分球通过光学几何的校正来考虑不同角度入射的光。这意味着即使样品表面对光的反射或透射具有角度依赖性，积分球也可以提供均匀的响应。
作用：
提高测量的精确性： 积分球通过均匀分布光线，使测量结果更具可靠性和精确性。这对于样品表面不均匀或反射特性具有角度依赖性的情况特别重要。
适用于各种样品： 积分球适用于各种样品，包括液体、固体和粉末。它可以测量样品在不同波长下的光学性质，无论是透明还是不透明。
光谱比较： 通过测量样品和参考样品（空白或标准样品）的光谱，可以进行光谱比较，用于分析和识别材料的特性。
用于颜色测量： 积分球也常用于颜色测量，特别是在涂料、塑料和纺织品等行业中。通过测量反射光谱，可以获得与人眼对颜色感知相一致的信息。

问题2

简述本次实验所用紫外-可见光度计单色器的组成部分及其作用。
分光计实验中，紫外-可见（UV-Vis）光度计单色器是一个关键的部件，用于分散进入光度计的光束，使得不同波长的光能够被单独测量。以下是典型的紫外-可见光度计单色器的主要组成部分及其作用：

1. 入口狭缝（Entrance Slit）：
   作用： 入口狭缝用于限制进入光度计的光束宽度，确保只有来自光源的特定光束通过。这有助于提高光度计的分辨率。
2. 色散元件（Dispersive Element）：
   作用： 色散元件是单色器的核心部分，通常采用光栅或棱镜。它能够分散进入的光束，将不同波长的光分开。对于光栅，其通过光的波长差异引起不同角度的衍射，而对于棱镜，折射角度取决于光的波长。
3. 出口狭缝（Exit Slit）：
   作用： 出口狭缝用于限制离开色散元件的光束宽度。它有助于提高光度计的分辨率，同时确保只有特定波长的光能够通过。
4. 旋转平台或调谐装置：
   作用： 允许用户调整入射光的波长，以选择测量的特定波长范围。这个调谐装置通常可以手动或电动控制，使得实验者可以选择所需的波长范围。
5. 检测器：
   作用： 接收通过色散元件的光束，测量其强度，并将其转换为电信号。检测器的类型通常取决于光的波长范围，包括光电二极管（Photodiode）和光电倍增管（Photomultiplier Tube）等。
6. 光学系统和调整：
   作用： 光学系统用于确保光束正确地进入和离开色散元件，并且在检测器上形成清晰的信号。调整机制可用于校正光学系统的位置和角度，以优化光度计的性能。
7. 控制和数据采集系统：
   作用： 控制系统用于操作调谐装置、控制狭缝的宽度和收集测量的数据。数据采集系统负责记录检测器产生的电信号，并将其转化为光谱或吸收光谱图。
   紫外-可见光度计单色器的设计和组成部分的选择取决于实验的具体需求，如测量范围、分辨率和精确度等。这些部分的协调工作可以实现高质量、准确和可靠的光度测量。

实验小结：

通过本实验，我理解紫外-可见吸收光谱的产生，较为系统、深入地掌握各种电子跃迁所产生的吸收带及其特征、应用，紫外吸收光谱与分子结构的关系（无机化合物的电子跃迁类型及紫外可见吸收光谱，有机化合物的电子跃迁类型及紫外可见吸收光谱），了解紫外-可见分光光度计(结构与主要部件;仪器类型;单光束、双光束、双波长分光光度计)，了解紫外-可见分子吸收光谱的特点与应用（有机化合物的鉴定；定量分析方法，并熟练掌握吸收定律的应用。