《光谱学基础知识》PPT课件

第一章光谱学基础知识,第一节光,1、光是一种电磁波（横波）,单色波的波函数,光与物质的相互作用主要是电场E的作用,光具有能量，也具有动量,1905年爱因斯坦大胆地提出了光量子的概念,2、光的粒子性光子,波矢,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。,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,光的相干性，是指在不同空间点上和不同时刻的光波电场之间的相关性,2、光的相干性,两束光相干,，,两束光非相干,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空间相干性：指在同一时刻，两个不同空间点上光场之间的相干性。,第二节光在介质中的传播,1、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：,辐射阻尼。辐射阻尼力:,考虑阻尼力：,小阻尼：,阻尼系数,场强E与x成正比，,辐射场强衰减，辐射功率也是衰减的，,2、原子系统的吸收与色散,外加光场对原子的作用：原子将作受迫振荡。,设光场：,电子运动方程：,其解：,稳态解,瞬态解,振子与外光场相位差,时，振动幅度最大，共振。,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：,极化率,介质介电常数：,折射率：,色散,吸收,反常色散区是吸收极大区,第三节能级跃迁,1、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。,高能级m和低能级n上的原子数之比为,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,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,爱因斯坦吸收系数,（2）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,能级2的平均自发发射寿命：,（3）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：,爱因斯坦受激发射系数,（4）爱因斯坦系数间的关系,第四节光谱,1、光波段,2、光谱的分类,按产生机制：发射谱，吸收谱,按谱线特征：分立谱，连续谱,分立谱线状谱：某些频率上光强极大连续谱：一段光谱区上光强连续过渡无法分离。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：,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,（4）多原子分子光物理过程,第五节谱线宽度与线型,实验测得的谱线都有宽度，而不是一条“线”,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(Fullwidthathalfmaximumintensity)表示。,1、自然线宽,电偶极子振荡发射电磁波而自身能量耗散。,光强：,频率分布函数,自然线宽:,由辐射阻尼定义并转换为波长，,一般的光谱方法很难法测量出如此小的频率分布,2、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，,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,高斯线型，也称Doppl