光催化课件：准备知识一--光的特性与光源

一、描述光的吸收和发射的物理参数1.辐射通量（单位J/s,w）：单位时间发射的光能量=E/tE：光源辐射能量；t：辐照时间2.辐射强度（Io）：给定表面单位面积上的入射辐射通量Io=/S;单位w/m2,mw/cm2：入射辐射通量；S：接收光辐射面积3.辐射的体积吸收率（Iv）：单位体积吸收的光能量Iv=/V：入射辐射通量；V：被辐照介质的体积准备知识一光的特性与光源二、光的波长和能量1.光为电磁波，用（波长）、（频率）、E（光子能量）、C（光速）表征E=h=hC/EN=hN=NhC/（1摩尔光子的能量）N：阿佛加德罗常数；h：普朗克常数有时1摩尔光子称为1爱因斯坦2.换算单位E=3.634×10－16/(cal)=1.986×10－15/(J)=1.24×104/(eV)=1.197×106/（kJ·mol－1）=2.865×105/（kcal·mol－1）：光波长(nm)三、朗伯-比尔定律(Lambert-Beer)一束平行的某一波长的光，穿过吸光组成浓度为C、光程长度为L的介质，被介质吸收的光或透过介质的光强度。透光强度：IT=Ioe-acL吸光强度：IA=Io(1-e-acL)其中Io：入射光强度；C：吸光组分浓度；L：吸光介质的光程长度；a：吸光物质的特性常数对于气、液、固三种聚集状态，有不同的表达式液相：IT=Ioe–εcL固相：IT=Ioe–kNLN：固相吸光组分在每立方厘米中的分子数气相：IT=Ioe–σpLP：气相中吸光组分的分压力ε、k、σ分别是液、固、气相吸光组分的吸收系数ε=9.37koσ=3.72×10-20koko：0℃时固相吸光组分的吸光系数在分光光度分析和光化学研究中，常用朗伯－比耳定律的另一表达式：E=lg(Io/IT)=lg(1/T)=cLE：溶液消光值，也称吸光度（光密度），用D表示；Io：入射光强度；IT：透光强度；T：透光率；C：浓度moldm-3；L：液层厚度（光程长度），cm；：摩尔消光系数，dm3mol-1cm-1若多组分对某一波长都有吸收，则消光值有加和性：E=1c1L+2c2L+···＋ncnLE:总消光值；i：i吸光组分的摩尔吸光系数；ci：i吸光组分的浓度；L：液层厚度注意：上述定律只适用于理想溶液和理想气体等理想状态，以及入射光通量密度不很大的情况。溶液浓度高及压力过高，会引起溶剂化或分子间缔合作用，使定律不成线性；入射光通量密度太高，会产生高浓度的激发态分子，也可能引起偏差。四、光源根据光化学第一定律，只有被分子吸收的光才能发生光化学反应。不同的光化学体系应选用不同的光源，使体系的吸收光谱与光源的发射光谱相匹配。1.太阳光量大、时间长，普照大地，清洁安全，每年至地球表面的热量相当于130万亿吨煤燃放的热量。天然存在，长久不衰。太阳发射光谱：30%被大气返回宇宙23%被大气层吸收47%到达地球表面日地平均距离处，单位时间、单位面积所接收太阳辐射光谱：紫外辐射(400nm)：受光密度近似117.7w/m2可见光(400~720nm)：受光密度近似542.6w/m2红外(720nm)：受光密度近似692.6w/m21.大气层外界处；2.大气质量m=1.306的地表面处3.大气质量m=2.200的地表面处大气中O2、N2、O3、H2O、气溶胶、尘埃对太阳辐射吸收、反射、散射，使地球表面与大气层外的太阳光谱和受照密度有明显差别。地面上太阳光谱小峰变小，变钝。但光谱能量的最大值均落在470~485nm.受光密度受地球纬度、季节、日照时间、海拔高度、气候变化的影响。太阳光能在广泛的光谱范围内满足要求，但也存在缺点：分散性：总量大，但能量流密度低。北回归线附近夏季晴天中午的太阳辐射也只有大约1.0~1.2kJ·m-2·s-1间断性：不稳定性：因此可聚光提高受光密度。透镜聚光：1凸透镜2反应器3光源（太阳光）球面涂层反射镜聚光2.汞灯使用广泛，发射波长185~750nm。发光原理在含有汞蒸气的惰性气体中（He、Ne、Ar），少量电子被加速后，使惰性气体分子电离，生成的离子与电子复合，产生惰气原子的激发态，随后，惰气原子的激发态将激发能传递给汞原子，生成汞原子激发态，激发态汞原子辐射退激到基态，发射出光子。Ne+e-Ne++2e-Ne++e-Ne*Ne*+HgHg*+NeHg*Hg+h（光）1）低压汞灯：汞蒸汽压为0.1MPa数量级主要发射185nm和254nm两条狭窄的强谱带，其余很低。图3-6双水冷却的外用型低压汞灯短紫外区发射，光强度低，容量也不能制得很大，受限制。注意事项：所有汞灯不服从欧姆定律，需接镇流器；壁温40~45℃时，254nm光最强，正常寿命200~3000小时；电源连稳压器；新灯要点燃几小时，稳定“熟化”；每次开启汞灯，也要等待15~20min；防止油污；2）中压汞灯在近紫外—可见光范围内辐射有多条清晰、分开的较狭窄的谱带。若与单色器配套，可获得强度较大的单色或狭窄谱带如254、265~266、313、334、365~366、405~408、436、546、577~579nm。结构简单、容量大、发光强度高、寿命长、易分出单色或窄谱带，使用广泛。壁温高至数百度，要及时清洗外壳，保持透明。寿命2000~3500小时。3）高压汞灯由于温度压力高，光谱线的线宽加大，变为有明显波峰的连续光谱。发射光谱覆盖范围大、紫外辐射强度高，可作成容量大的灯，电功率转化为光输出功率的效率高，寿命长。广泛使用。目前可做100kJ/s的大容量高压汞灯。当电输入功率小于10kJ/s时，光的输出功率与输入电功率的比值随输入电功率增大而明显增大；当电输入功率大于10kJ/s后，光的输出功率所占比例不变；当电输入功率大于10kJ/s后，200~600nm光占40%以上300~600nm光的输出功率为20%以上366nm光的输出功率约占5%要求垂直放置灯管，倾斜时夹角小于45o3.高压氙灯属高强度照明光源，发射光谱比较稳定。在紫外和可见光范围内的发射光谱呈较平滑的连续光谱。只在400~500nm区间呈现小峰。4.荧光灯利用低压气体放电灯内壁所涂荧光体的发光作用，主要发射可见光。光谱波长取决于所涂荧光体的化学组成。灯壁温度40~60℃。适用于产物的量子产率较高，不希望光化学反应温度高的光化学体系。7--5.碳弧灯发光效率高，并能耐高温，是可见光和红外辐射的理想光源。输出功率可达几个kJ/s，一般采用透镜和反射镜聚光。在波长较短的紫外区，封闭式碳弧的辐射强度比日光低，在350~380nm的近紫外区域，有两个比日光强的峰。阳光弧光灯的紫外辐射光强度与日光的强度近似。6.激光器由可调光腔和置于光腔内的发光材料组成。光腔由互相平行的全反射镜和一个半透镜组成。光波在镜面间往返传播，增大了光强度，产生类似链式反应的结果，在极短的时间间隔内（s），产生辐射脉冲，并经半透镜射出。特点：1）相干性：光具有相同的相位2）平行性：并能聚焦为较小的光斑，辐射密度高（109w/cm2）3）单色性：频率一定4）脉冲功率高：能量为1J，脉冲宽度为1s的脉冲，输出功率1MW但价格较高，大功率的廉价激光器尚有待开发。