最新原子分子光谱-第九次复习-1126精品课件.ppt

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1、2本门课程重点复习内容本门课程重点复习内容9电子组态：)(212211Nlnlnlnkiikkk电子壳层排布：l次壳层最多 2（2l+1）个电子；n壳层最多 个电子。2102) 12(2nlnl量子数：n=1，2，3，l=0，1，2，n-1 s，p，d，ml=0，1，2，lms=1/210LS谱项： 2 +10 1 2 3 4 5 , ,.SSJLLL2 +1光谱项光谱支项 , , , , , SPDFGH2 +10 1 2 3 4 5 , ,.SSJLLL2 +1光谱项光谱支项 1.由Pauli不相容原理，任意两电子的（n、l、ml、ms）不能完全相同， 同科电子允许的谱项只能是L+S为偶数

2、的项。 2.对于闭壳层电子，总的轨道角动量、总自旋角动量及总角动量均为 零，所以闭壳层电子对光谱项中的L、S、J没用贡献，所以我们只需 考虑非闭壳层即可，nlm与nl2（2l+1）-m允许谱项相同。ii lLiimMlL,ii sSiimMsS,SLMMMSLJ,11实例：电子组态 对应光谱项 对应光谱支项2s2p1P1， 3P0，1，21P， 3P 1P，3P ，1D ，3D， 1F，3F3p3d 1P1，3P0，1，2 ，1D 2， 3D1，2，3， 1F3，3F2，3，4 1s2（同科电子）1S0，3S11S 1S，3S ，1P ，3P， 1D，3D 1S0，3S1 ，1P 1， 3P0

3、，1，2， 1D2，3D1，2，3 2p2（同科电子）红色为禁戒谱项12LS耦合下的能级结构：在LS耦合下pd组态能级结构与各种相互作用3P球平均 + 库仑直接 + 库仑交换 + 自旋轨道 + 外磁场EavPFD1P1F3F3D1D1P11F33P0124323212MJ10-1.210-1-213多电子原子的磁矩多电子原子的磁矩 J JJBJg14 在外磁场中，原子由于具有总磁矩j，而产生与磁场的附加的相互作用能： 由于总角动量j的空间取向量子化 （mj=-j，-j+1，j），磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。劈裂的能级个数为2j+1。跃迁选择定则：M=0，115塞曼(Zeeman)效

4、应16正常塞曼效应：正常塞曼效应： 电子发生跃迁前后两个原子态的总自旋都为零的谱线称为单态谱线，单态谱线分裂为三条的现象称为正常塞曼效应。当当s s1 1=s=s2 2=0 =0 时时反常塞曼效应：反常塞曼效应： 反常塞曼效应是上下能级s1,s2都不等于零，g1,g2都不等于1，非单态能级之间的跃迁17超精细结构：1.磁超精细结构（核自旋效应）2.电超精细结构（核电四极矩效应）3.同位素效应18 由于原子核的质量比电子的质量大几千倍，当核的分布发生微小变化时，电子能够迅速调整其运动状态以适应新的核势场，而核对电子在其轨道上的迅速变化却不敏感。因此，波恩和奥本海默将电子运动和核的运动分开，讨论电

5、子运动时近似认为电子是在不动的核的势场中；讨论核运动时，认为核受到一个与电子坐标无关的有效势的作用，这就是波恩-奥本海默近似。 Bohn-Oppenheimer近似:-eZAeZBe研究电子：A、B核不动ZAeZBe研究核：不显含电子坐标，电子提供一个平均的有效势回顾19 在Bohn-Oppenheimer近似下，分子总波函数分离为电子波函数和核波函数两部分：)(),(),(RRrRrniei 其中， e 描述电子的运动，依赖于核的坐标，不依赖核的量子状态；n描述核的运动，主要反映核的振动和转动状态。eneneennHTVTTVVV对于固定核 ，0nT nnV为常数，电子波函数满足：eeeeH

6、EeeeneeHTVV核运动满足：nnnnHEnnnneHTVE)(REEee20分子的转动、振动、电子能级示意图E e E v ErEr：1040.05eV ：0.8400cm-1 位于微波和远红外光区Ev：0.051eV ：4008000cm-1位于红外光区Ee：120eV ：81031.6l05cm-1位于紫外、可见光区21回顾双原子分子转动光谱双原子分子转动光谱转动跃迁选律转动跃迁选律: 整体选律整体选律: 只有极性分子才有转动光谱只有极性分子才有转动光谱; 具体选律具体选律:J=1.22转动能级转动能级回顾转动光谱转动光谱23 具体选律：才有具体选律：才有v=1的跃迁是允许的跃迁是允

7、许的的.谐振子能级图0)21(hvvEv/210kv 回顾24转动光谱 振动光谱 物理模型 刚性转子模型谐振子模型 跃迁选律 J J = =1 1 v= =1 1特点 谱线等间距排列 能级等间距排列 公式 键长键的力常数 得到信息 总结总结: :0)21(hVEVIchB282rI/210kv 25波数4 3 2 1 0 1 2 3JP支 R支J01234J 01234v+1v26振动激发可以同时伴随转动激发，用高分辨率红外光谱仪可观察到振转光谱. 例如, HCl的振转光谱如下:P支支 Q支支 R支支27电偶极跃迁速率：)(22tEreVmPH2222202222/)2/sin()(tttir

8、nAetcnin28EnEnEiinEE 共振辐射吸收EiEnniEE 受激发射EiinEE 自发发射2222202222/)2/sin()(tttirnAetcnin2930能级寿命和宽度：/22| )(| ),(|tertr/0)(tiieNtN当 时，激发态i的原子数目减小为原来的1/e。tA1/2( , )( )iiE ttr tr eeA22)2/()(2/)(iEEEPEP（E）EiP（Ei）P（Ei）/2半高全宽310tF T32谱线宽度和线型：EI（E）E0=Ei-EkI0I0/2E1.自然线宽：能级的寿命带来的谱线的自然地展宽EiEk()/ikEEh 原子或分子在两能态上的运

9、动近似用一个具有阻尼的谐振子描述。220202)2/()()2/(| )(|)(IAI洛伦兹线型332.多普勒宽增宽：发光原子或分子与接收器间的相对速度带来的接收到的辐射谱线的增宽我们称之为多普勒宽度。)1 (0czMKTp/22)(000)(pceII高斯线型：20)2ln(8MckT34（1）碰撞作用使发光粒子突然中断发光而缩短寿命造成能级展宽。3.碰撞增宽：（2）由于碰撞使波列发生无规则的相位突变所引起的波列缩短，等效于寿命缩短。2202220)/1 ()(42)2/()(2)(cccccITPcc1洛伦兹线型：35例：氦氖激光器和CO2激光器的三种谱线增宽。T=300K, Ne 原子6

10、328(632.8nm,红光)谱线不同机理的增宽: HzHzHzNcD789102101107 . 1 此谱线主要机理是Doppler增宽36AbsorbedTransmittedReflectedIncident light l0l0l0l0l l0l l0ElasticInelastic瑞利散射和拉曼散射37散射光强与l4成反比。 把线度小于光的波长的微粒对入射光的弹性散射，称为瑞利散射。1.瑞利散射：瑞利散射：382.拉曼散射 在散射光中在散射光中出现与入射光频率不同的散射光出现与入射光频率不同的散射光，这种现象称为，这种现象称为拉曼散射。拉曼散射。 h( 0 + )E0E1E1 + h

11、 0E2 + h 0 h h 0h( 0 - )瑞利散射斯托克斯散射反斯托克斯散射39CCl4的Raman光谱图40储存环示意图储存环示意图插入件：产生各类插入件：产生各类不同特征的同步辐射不同特征的同步辐射同步加速腔：加速同步加速腔：加速电子，并补充同步电子，并补充同步辐射损失的能量辐射损失的能量真空室：减少因残留气体真空室：减少因残留气体碰撞而损失光束线能量碰撞而损失光束线能量四极磁铁：以透镜四极磁铁：以透镜机制聚焦光束线机制聚焦光束线弯转磁铁弯转磁铁：使束流轨使束流轨道转弯，产生同步辐射道转弯，产生同步辐射同步辐射同步辐射41421. 1. 辐射光的波长连续可调、范围宽；辐射光的波长连续

12、可调、范围宽；2. 2. 亮度高；亮度高；3. 3. 准直性好；准直性好；4. 4. 单色性好；单色性好；5. 5. 偏振光；偏振光；6. 6. 有特定的时间结构；有特定的时间结构；7. 7. 稳定。稳定。8.8.多用户多用户同步辐射特性：同步辐射特性：43入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜物镜物镜棱镜棱镜焦面焦面出射狭缝出射狭缝f分光系统分光系统 将由不同波长的“复合光”分开为一系列“单一”波长的“单色光”的器件。1. 棱镜：棱镜：棱镜分光系统使辐射沿焦面呈非线性色散，短波的色散大于长波。44 光栅光栅反射光栅反射光栅透射光栅透射光栅透光宽度透光宽度不透光宽度不透光宽度光栅常数光栅常数d bada

13、b 大量等宽等间距的平行狭缝大量等宽等间距的平行狭缝( (或反射面或反射面) )构成的光学元件构成的光学元件光栅宽度为光栅宽度为 l ，每毫米缝数每毫米缝数为为 m ，则，则总缝数总缝数lmN光栅光栅45缝间干涉主极大就是光栅衍射主极大，其位置满足缝间干涉主极大就是光栅衍射主极大，其位置满足lkdsin, 3 , 2 , 1 , 0k 光栅方程光栅方程 多缝干涉主极大光强受单缝衍射光强调制，使得主极大光多缝干涉主极大光强受单缝衍射光强调制，使得主极大光强大小不同，在单缝衍射光强极小处的强大小不同，在单缝衍射光强极小处的主极大主极大缺级。缺级。lkasindkakllsinadkk2ad23ad

14、6, 4, 2k9, 6, 3k缺级条件缺级条件如如缺级缺级缺级缺级缺级条件分析缺级条件分析, 3 , 2 , 1 klkdsin三三. . 衍射和缝间干涉的共同结果衍射和缝间干涉的共同结果46N=6,d=5a47单缝衍射和缝间干涉的共同结果1 N20 N6 N5 N3 N2 N几种缝的光栅衍射几种缝的光栅衍射48斜入射的光栅方程斜入射的光栅方程lkd)sin(sin主极大条件主极大条件k = 0, 1, 2, 3N缺级条件缺级条件l)sin(sinkalkd)sin(sin最多明条纹数最多明条纹数)22()sin2(sinmaxldk)sin2 (sin maxl-dk1maxmaxkkNA

15、B aNsin) 1(sin) 1(aN p49-6-4-20246 k=0闪耀光栅 光栅分辨率：50入射狭缝S1出射狭缝S2球面镜M1球面镜M2反射光栅G（闪耀光栅）S1处于M1的焦平面处。光栅单色仪S2处于M2的焦平面处。51常用激光器由三部分组成：常用激光器由三部分组成： 工作物质工作物质 泵浦源泵浦源 光学谐振腔光学谐振腔激光激光激光器结构示意图激光器结构示意图全反镜半反镜增益介质泵浦灯1.激光器的结构52按输出方式分：按输出方式分：脉冲输出脉冲输出连续输出连续输出按工作物质分按工作物质分 ：半导体激光器半导体激光器气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器液体激光器液体激光器自由电子激

16、光器自由电子激光器2.激光器的分类按输出波长分：按输出波长分：紫外和真空紫外激光器紫外和真空紫外激光器红外和远红外激光器红外和远红外激光器可见光激光器可见光激光器X射线激光器射线激光器53（1 1）方向性好）方向性好3. 激光的特性（2 2）单色性好）单色性好(3) (3) 亮度高亮度高(4) (4) 相干性好相干性好54EiEnniEE 受激发射受激辐射光放大55为得到光放大为得到光放大,必须使必须使2N1N56E1E2泵浦57E1E3E2泵浦亚稳态12EEhE1E4E3泵浦亚稳态E232hEE5859s2s1Nes3s12s32Hep2p3碰632.8nm共振转移共振转移回顾电极加上高电压

17、后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转，产生激光跃迁的是Ne气，He是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速率603) 二氧化碳激光器工作物质：工作物质：CO2、N2和和He的混的混合物合物激光波长：激光波长：10.6微米、微米、9.6微米微米（远红外光）（远红外光）（利用基态的不同振动态的转（利用基态的不同振动态的转动能级之间的跃迁，故光子能动能级之间的跃迁，故光子能量小）量小）特点：特点：激光器效率高、输出能激光器效率高、输出能量大、功率高量大、功率高。四能级、电激励614）染料激光器n有机化合物液体（染料）激光器，简称染料激光器n染料激光器：若丹明6G、隐花青，豆花素n特点：

18、激光波长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短的超短脉冲（3fs）、可获得窄的谱线宽度n广泛应用到光生物学、光谱学、光化学同位素分离、全息照像等技术中，研究物质的瞬态变化过程及微观动力学。62四能级635）半导体激光器n半导体激光器以半导体为工作物质，常用材料有GaAs（砷化镓）、InP等。具有小型、高效率、结构简单、价格便宜等优点，在光纤通信、激光唱片、光盘、数显、准直等领域得到广泛应用。 半导体激光器又称为半导体激光二极管，或简称激光二极管，英半导体激光器又称为半导体激光二极管，或简称激光二极管，英文缩写为文缩写为LD (Laser Diode)LD (Laser Diode)，是实用中最重要的一类激光器，是实用中最重要的一类激光器 。 64利用半导体中载流子（电子或空穴）在导带和价带之间的受激跃迁而实现受激辐射光放大。（半导体中的电流是电子和空穴的移动而形成的，称为载流子。）656）自由电子激光器66 0IOI LIzdz b增益介质增益介质 zIzdI(z)z z+dz LIL eGZIzI0 zIIzzGdd67光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用6869I3I1I0rr12)L a2(GerrII2104内内I4I2122104)L a(GerrII内内)1ln()21 (21rrL aG阈阈内内7071谢 谢！