光与物质相互作用最新版本ppt课件

.,光和物质相互作用,组员：*光科13*,.,目录,发光的物理研究光的吸收光的色散光的散射激光原理及其应用举例,.,1.发光定义、特征,什么是发光？发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量，而这种多余能量的发射过程具有一定的持续时间。发光区别于光的散射、反射等物理过程。发光的两个主要特征发出的总辐射中超出热辐射的部分；当激发源停止对物体的作用后，发光现象还会持续一定的时间。,发光的物理研究,.,2.发光的分类,按被激发的方式分类光致发光photoluminescence电致发光electroluminescence阴极射线发光cathodeluminescenceX射线发光及高能粒子发光化学发光生物发光按照辐射方式分类自发辐射受激辐射受激吸收,发光的物理研究,.,3.发光的物理机理,电子沿着一个个分立的轨道绕核旋转，当电子在确定的轨道上运动时，原子具有确定的能量。电子从一个轨道跃迁到另一个轨道，原子或分子就从一个能态跃变到另一能态，同时伴随着能量的变化。电子在不同轨道之间跃变，原子向外释放或吸收能量。,发光的物理研究,.,3.发光的物理机理,原子从一个定态跃迁到另一定态，会发射或吸收一个光子，频率辐射频率公式每一个辐射光子称作一个波列每个波列持续时间约10-8s原子或分子的发光过程是彼此独立的、随机的光源发出的连续光波实际上是大量原子或分子发光的总效果。,发光的物理研究,.,3.发光的物理机理,发射光谱原子发射光谱原子的发射光谱是线状光谱每种原子有其独特的发射光谱识别不同原子的标志分子发射光谱若干光谱带组成的带状光谱分子能级结构非常复杂分子的转动能级间的跃迁发出远红外辐射；振动能级间的跃迁发出中红外辐射；而电子能级间的跃迁发出可见光和紫外辐射。,发光的物理研究,.,1.光与物质的作用,当光波在媒质中传播时，由于光波和物质的相互作用，一般呈现两种效应,光的吸收,光波和物质作用的两种效应,折射和双折射现象（速度减慢）,消光现象,散射(scattering)现象,吸收(absorption)现象,(部分光波沿其它方向传播),(光能转换成其它形式的能量),（光能减弱）,.,光的吸收,.,光吸收的类型,一般吸收（generalabsorption）在给定的波段范围内，若介质对光的吸收很少，而且光吸收量与波长无关。在可见光范围内，一般吸收意味着光通过介质后不改变颜色而只改变强度。选择吸收（selectiveabsorption）在给定的波段范围内，媒质吸收某种波长的光能比较显著。在可见光范围内，选择吸收意味着光通过介质后既改变颜色也改变强度。,光的吸收,.,朗伯定律比尔定律,朗伯定律称为吸收系数，“”号表示随x增加I减小。将上式积分：,光的吸收,I,I-dI,.,光的吸收,（朗伯定律的数学形式）,引入透光率T和吸收度A，并定义，,，上式表示为,实验表明，在光强变化相当大的范围（约1020倍）内，透射光强度满足朗伯定律的数学形式。因此，朗伯定律适用于光强变化相当大的场合。,.,光的吸收,比尔定律,比尔定律是朗伯定律在溶液情形下的应用。,稀溶液的吸收系数与溶液浓度有关，即,朗伯定律可变为：,是一个与浓度无关的常数，它表征了吸收物质的分子特性，C为溶液的浓度。,吸收度A与浓度C呈线性关系,（比尔定律的数学表达式）,.,光的吸收,实际测量中观察到吸收度与浓度关系偏离线性的情况，说明比尔定律的成立是有条件的。,比尔定律只在溶质分子的吸收本领不受它周围邻近分子的影响时才成立。,光的反射、散射、温度、时间、压力等都会对比尔定律产生影响。,朗伯定律始终成立，但比尔定律有时不一定成立。,.,吸收光谱,光的吸收,当一束复色光透过一定厚度的介质时，利用介质对光的吸收作用因波长而异，可产生吸收光谱。,产生连续光谱的光源所发的光，通过具有选择吸收特性的物质后，用光谱仪可以观察到，在连续的发射光谱中，呈现出与发生吸收的波长区域相对应的一些暗线或暗带，这就是吸收光谱。,紫外可见光分光光度计原理图,.,光的吸收,若用原子化装置代替样品室，就可得到某元素的原子吸收光谱。所谓原子化就是使待测样品中的原子达到雾化状态，并保证雾化原子处于基态。这样一旦有外来光照，原子便可吸收外来光，产生吸收光谱。,每种元素都有其特征吸收波长和吸收光谱,原子吸收光谱广泛应用于定量分析中,钠原子吸收光谱,对于气体、液体和固体而言，一般在红外区有选择吸收。吸收谱线宽度增大且组成连续谱带，称为带状光谱。红外光谱分析常用于科学研究及生产实践中。,.,光的吸收,原子吸收光谱的应用,探测太阳的元素构成,太阳光谱是典型的暗线吸收光谱，在其连续光谱的背景上呈现有一条条的暗线，称为夫琅禾费谱线。这些谱线是处于较低温度的太阳大气中的原子，对更加炽热的内核发射的连续光谱进行选择吸收的结果。将这些吸收谱线的波长，与地球上已知物质的原子发射光谱进行比较，发现太阳表面层中主要包含有氢、氦，还有钠、氧、铁和钙等60多种元素。氦元素首先就是在太阳光谱中发现的。原子吸收光谱的灵敏度很高，混合物或化合物中原子含量极少的变化，都会在光谱中反映出吸收系数很大的改变。历史上，曾靠这种方法发现了铯、铷、铊、铟和镓等多种元素。,.,光的吸收,原子吸收光谱在化学的定量分析中有广泛的应用,带状吸收光谱用来定性鉴定或定量测定有机化合物，研究分子力和分子结构。分子气体、液体和固体一般在红外波段有选择吸收，吸收谱线密集地组成带状，形成带状吸收光谱。不同的分子有其显著不同的红外吸收光谱，即使是分子量相同且其他物理化学性质也基本相同的同质异构体，它们的红外吸收光谱也明显不同。,.,光的色散,光的色散,.,色散率,光的色散,光在物质中传播时，其速度将比真空中小，而且不同频率的光在同一物质中的传播速度不同。因此，物质的折射率随光的波长的不同而改变，这一现象称为色散。色散现象也是光和物质相互作用的结果。,对于给定的介质而言，折射率n是波长的函数，即nn(),色散率,.,光的色散,棱镜折射率与顶角和最小偏向角关系,测得不同波长的光线通过棱镜的最小偏向角，可以按照上式计算出棱镜对不同波长的光的折射率，从而可绘出棱镜的色散曲线（即折射率n与波长的关系曲线）。,.,正常色散,光的色散,几种材料的色散曲线,曲线特点：,具有以上特点的色散称为正常色散。,波长越短，折射率n越大；,波长越短，色散率越大；,波长很长时，折射率n趋于定值；,不同物质的色散曲线没有简单的相似关系。,.,光的色散,科希于1836年给出了正常色散的折射率与波长的函数关系：,式中为真空中的波长，A、B、C为取决于介质性质的常量，其数值可由实验测定。,当波长变化范围不大时，上式可简化为,介质的色散率,上式表明dn/dN2,吸收为主,N2N1,受激辐射为主,只有N2N1才能受激比吸收多，光放大,粒子数反转,热平衡时，高能级上原子数目极少,吸收比受激辐射多,受激辐射、吸收几率与对应原子数成正比,非热平衡,.,激光原理及其应用举例,原子激发的几种基本方式：,1气体放电激发,2原子间碰撞激发,3光激发(光泵),三能级系统,四能级系统,实现粒子数反转!,必须采取特殊办法,非热平衡,非热平衡,.,激光原理及其应用举例,He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现,电子,He,21s,23s,亚稳态,Ne,3s,2s,3p,2p,1150nm,632.8nm,3390nm,电子经电场加速后，与He碰撞。处于激发态的He与Ne碰撞，把能量传递给Ne，使它在亚稳态（3s、2s）和激发态（3p、2p）之间形成反转分布。,.,激光器组成部分,激光原理及其应用举例,光束在谐振腔内来回震荡，在工作物质中的传播使光得以放大，并输出激光。,光学谐振腔,使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置,.,激光的应用举例,激光原理及其应用举例,激光与物质相互作用是激光应用的重要基础.,.,激光原理及其应用举例,激光升温与相变应用,轧辊激光表面相变硬化,钢轨激光表面强化,.,激光原理及其应用举例,激光气化应用,激光照射材料,材料反射与吸收,温度快速升高,材料熔化气化,激光烧蚀,材料去除,.,激光原理及其应用举例,飞秒激光诱导令石墨转变为金刚石结构,物理评论聚焦2008年22卷8月1日,紫外光固化快速成型2010，获得国家科技进步一等奖,激光化学与立体光造型,.,激光原理及其应用举例,激光等离子体应用激光推进,运行中的光船。所见亮光是在飞行器边缘下方燃烧的空气。,当激光器发射脉冲时，会不断加热空气直至燃烧。空气燃烧会产生闪光