1.1 物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收
當(dāng)光束照射到物質(zhì)上時(shí),光與物質(zhì)發(fā)生相互作用,產(chǎn)生反射、散射、吸收或透射。若被照射的是均勻溶液,光的散射可以忽略。
1.1.1 溶液顏色的產(chǎn)生
當(dāng)一束白光通過(guò)某一有色溶液時(shí),一些波長(zhǎng)的光被溶液吸收,另一些波長(zhǎng)的光則透過(guò)溶液。透射光或反射光刺激人眼使人感到顏色的存在。人把自身能感覺(jué)到的光定義為可見(jiàn)光。在可見(jiàn)光區(qū),不同波長(zhǎng)的光呈現(xiàn)不同的顏色,因此溶液的顏色由透射光的波長(zhǎng)所決定。透射光與吸收光可組成白光,故稱這兩種光互為補(bǔ)色光,兩種顏色互為補(bǔ)色。
1.1.2 光吸收的本質(zhì)
當(dāng)一束光照射到某物質(zhì)或其溶液時(shí),組成該物質(zhì)的分子、原子或離子與光子發(fā)生“碰撞”,光子的能量就轉(zhuǎn)移到分子、原子或離子上,是這些粒子由最低能態(tài)(基態(tài))躍遷到較高能態(tài)(激發(fā)態(tài)),這個(gè)作用稱為物質(zhì)對(duì)光的吸收。
被激發(fā)的粒子約在10-8s后回到基態(tài),并以熱或熒光等形式釋放出能量。分子、原子或離子具有不連續(xù)的量子化能級(jí),僅當(dāng)照射光光子的能量hυ,與被照射物質(zhì)粒子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量之差相當(dāng)時(shí),才能發(fā)生吸收。不同物質(zhì)微粒由于結(jié)構(gòu)不同而具有不同的量子化能級(jí),其基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量差也不相同。所以物質(zhì)對(duì)光的吸收具有選擇性。
1.1.3 吸收曲線
吸收曲線,也稱為吸收光譜,描述了物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收能力。將不同波長(zhǎng)的光透過(guò)某一固定濃度和厚度的有色溶液,測(cè)量每一波長(zhǎng)下有色溶液對(duì)光的吸收程度(即吸光度),然后以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo),以吸光度為縱坐標(biāo)作圖,繪制的曲線即為吸收曲線。
不同濃度的同一物質(zhì),在吸收峰附近的吸光度隨著濃度增加而增大,但最大吸收波長(zhǎng)不變。若在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度,則靈敏度最高。因此,吸收曲線是分光光度法中選擇測(cè)定波長(zhǎng)的重要依據(jù)。
1.2 光吸收基本定律
即朗伯-比爾定律:
當(dāng)一束平行單色光通過(guò)液層厚度為b的有色溶液時(shí),溶質(zhì)吸收了光能,光的強(qiáng)度就要減弱。溶液的濃度越大,通過(guò)的液層厚度越大,入射光越強(qiáng),則光被吸收的越多,光強(qiáng)度的減弱也越顯著。該定律是紫外可見(jiàn)分光光度法等各類吸光光度法定量分析的依據(jù),是由實(shí)驗(yàn)觀察得到的,不僅適用于溶液,也適用于其他均勻非散射的吸光物質(zhì)。
A=lg(I/I0)=εbc
A-吸光度;
I0-入射光強(qiáng)度,cd;
I-透射光強(qiáng)度,cd;
ε-吸光系數(shù),L/(mol˙cm);
b-液層厚度(光程長(zhǎng)度),cm;
c-有色溶液的濃度,mol/L。
其物理意義為:當(dāng)一束平行單色光通過(guò)單一均勻、非散射的吸光物質(zhì)溶液時(shí),溶液的吸光度與溶液濃度和液層厚度的乘積成正比。
式中ε是吸光物質(zhì)在特定波長(zhǎng)和溶劑的情況下的一個(gè)特征常數(shù),數(shù)值上等于濃度為1mol/L的吸光物質(zhì)在1cm光程中的吸光度。ε是吸光物質(zhì)吸光能力的量度,ε值越大,方法的靈敏度越高。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算ε時(shí),常以被測(cè)物質(zhì)的總濃度代替吸光物質(zhì)的濃度,實(shí)際上時(shí)表觀摩爾吸光系數(shù)。在多組分體系中,如果各種吸光物質(zhì)之間沒(méi)有相互作用,體系的總吸光度等于各組分吸光度之和,即吸光度具有加和性。
透光度T是透射光強(qiáng)度I與入射光強(qiáng)度I0之比,即:
T=I/I0
因此:A=lg(1/T)