光谱学基础知识.ppt

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1、光谱学基础知识现在学习的是第1页，共15页o19051905年爱因斯坦大胆地提出了光量子的概念年爱因斯坦大胆地提出了光量子的概念 2、光的粒子性、光的粒子性光子光子hphknnn=phchcmph波矢nk)/2( 11, 0 o光子的自旋量子数为整数，。它在特殊方向上的投影用量子数表示，它们对应于线偏振光、左旋和右旋偏振光。 o光子的自旋量子数为整数1，是玻色子，因此允许许多光子数处于同一状态，或称处于同一模式 。o光子具有角动量，在光与物质相互作用时要遵守角动量守恒定律。当用偏振光与原子或分子相互作用时，要用相应的选择定则去分析 现在学习的是第2页，共15页o光的相干性，是指在不同空间点上和

2、不同时刻的光波电场之间的相关性 2、光的相干性、光的相干性)2exp()(101titiEtE)2exp()(202titiEtE)cos(1 22stoEI21t)(212rrs)cos(1 22ostEIt如果相位差在足够长的观察时间内维持不变，则光强可以写成 0minI20max4EI两束光相干常数2o2EIt0)cos(st如果在观察时间内随机变化，则因子，两束光非相干现在学习的是第3页，共15页o时间相干性：指在同一空间点上，两个不同时刻的光场之间的相干性。时间相干性常用相干时间相干时间来描述。处在相干时间间隔内的光场是相干的。在相干时间内光波传播的距离称为相干长度相干长度 o空间相

3、干性：指在同一时刻，两个不同空间点上光场之间的相干性。 第二节第二节 光在介质中的传播光在介质中的传播1、原子辐射的经典解释、原子辐射的经典解释将原子看成为一个外层价电子绕原子实转动的系统，原子实的质量很大，可将电子的转动看作为绕固定中心的振动。 不考虑阻尼，电子的运动方程：rreekm )(00tierr re 事实上，电子原子实系统构成一个电偶极子，为电偶极矩。振动电偶极子辐射阻尼。辐射阻尼力:rvFs 22022032413241cece现在学习的是第4页，共15页考虑阻尼力： xcexkxmee 3203241小阻尼：020 xxx 320203241cmee阻尼系数titxx2000

4、2211exp2/exptitEE2000)2(211exp2/exp场强E与x成正比，辐射场强衰减，辐射功率也是衰减的，ttecexecP2402022402031413141现在学习的是第5页，共15页2、原子系统的吸收与色散、原子系统的吸收与色散 o外加光场对原子的作用：外加光场对原子的作用：原子将作受迫振荡。设光场：tieEtE0)(tieemeExxx020 电子运动方程：)()(002122200tititieeCeCeiemeEtx其解：稳态解瞬态解222220)(0)(emeExtie2021tg振子与外光场相位差0时，振动幅度最大，共振。0远离时，振幅很小，但这是一个稳定的振

5、幅 现在学习的是第6页，共15页o极化与色散极化与色散当光波通过一种介质时，会产生极化现象。诱导极化强度P与电场强度E成正比： EP0iemNeNetie2202ExPimNee220021极化率i2222202202)(emNe2222202)(emNe介质介电常数 ： 折射率 ： inn rrr41r2200002 )2/()(1ermNen220002)2/()(2/emNe色散 吸收 反常色散区是吸收极大区 现在学习的是第7页，共15页第三节 能级跃迁1、原子数的布居、原子数的布居处在热平衡状态的原子体系，原子数按能级的分布服从玻耳兹曼分布。)/exp(TkgNBiii高能级m和低能级

6、n上的原子数之比为)exp(TkggNNBnmmnnm 较高能级m上的原子数总是小于较低能级n上的原子数。 如果m和n能量间隔很大，激发态m上的布居可以少到可以忽略 2、光与原子、分子作用的三种过程、光与原子、分子作用的三种过程 吸收吸收当外界辐射场频率和相应的跃迁能间距相等时处于低能级的原子会吸收外界辐射场的一个光子而从低能级跃迁到高能级 吸收跃迁几率)()()(1212BW)(12B爱因斯坦吸收系数 现在学习的是第8页，共15页（2）自发发射）自发发射处于激发态的原子在没有外界的影响下，以辐射的方式返回基态的过程 2212NAdtdNtAeNtN21202)(211 Asp能级2的平均自发

7、发射寿命： （3）受激发射）受激发射在外界辐射场的激发下产生的发射过程。 发射光与激发光具有相同的频率、位相、偏振和传播方向受激发射几率： )()(2121BW: )(21B爱因斯坦受激发射系数 （4）爱因斯坦系数间的关系）爱因斯坦系数间的关系2133218BchA212121BgBg22132032321316RcheA现在学习的是第9页，共15页第四节第四节 光谱光谱光波段 1、光波段、光波段 2、光谱的分类、光谱的分类 按产生机制：发射谱，吸收谱现在学习的是第10页，共15页按谱线特征：分立谱，连续谱分立谱线状谱分立谱线状谱：某些频率上光强极大连续谱：连续谱：一段光谱区上光强连续过渡无法

8、分离。热辐射、原子光致电离、等离子中电子韧致辐射，电子与离子复合会产生连续光谱分子是由原子组成，依靠原子间的相互作用力形成化学键，把原子结合在一起。3、分子光谱的特征、分子光谱的特征 分子内部存在着下列三种运动：(1) 价电子在键连着的原子间运动；(2) 各原子间的相对运动-振动；(3) 分子作为一个整体的转动。 B-O近似：Jve电子光谱：跃迁发生在不同电子态间，紫外与可见区域， 振动光谱：跃迁发生在同一电子态内不同振动能级间，近红外区域 转动光谱：同一电子态和振动态的不同转动能级间跃迁远红外至微波区域 现在学习的是第11页，共15页（4）多原子分子光物理过程）多原子分子光物理过程现在学习的

9、是第12页，共15页第五节第五节 谱线宽度与线型谱线宽度与线型实验测得的谱线都有宽度，而不是一条实验测得的谱线都有宽度，而不是一条“线线”21谱线强度下降到一半时相应的两个频率之间的间隔。称半宽度，简称线宽，用FWHM(Full width at half maximum intensity)表示。 1、自然线宽、自然线宽 电偶极子振荡发射电磁波而自身能量耗散。 tit20eeEtE0)(2)(21)(00/iEE光强： )(4)(24)(14)(02200220220gIIEI4)(2)(220g频率分布函数N自然线宽:nmcmeeN52021017. 13由辐射阻尼定义并转换为波长， 一般

10、的光谱方法很难法测量出一般的光谱方法很难法测量出如此小的频率分布如此小的频率分布 现在学习的是第13页，共15页2、多普勒展宽、多普勒展宽由于发光原子相对于观察者（检测器）运动而产生的一种光波频移现象。考虑光子沿z方向传播， )/1 (0cuzzu为正时，即当发光原子相对探测器飞来时，则光波频率高于中心频率。热平衡下气体分子的速度分布服从麦克斯韦分布, Doppler展宽的光谱线的强度为202020D0D2)()exp()()(=)(BkTmcIgII20202D2)(exp)(BkTmcg高斯线型，也称Doppler线型函数 线宽 :202ln22mcTkBD202ln22mcTkBD远比自然线宽大 现在学习的是第14页，共15页3、碰撞加宽、碰撞加宽由于原子间相互作用而导致谱线展宽，谱线轮廓基本上是洛仑兹型的 20200)1 ()(21)(tImTkNdtBL02041线宽 :0N为单位体积中的原子数 对气相实验，要求降低温度和气压。 现在学习的是第15页，共15页