光谱产生机理与电磁辐射

1、武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感1第1节 光谱产生机理与电磁辐射武汉大学遥感信息工程学院武汉大学遥感信息工程学院龚龚 龑龑高光谱遥感高光谱遥感第二章第二章 地物光谱数据的获取与分析地物光谱数据的获取与分析武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感2一、光谱特征产生机理二、物质微观结构与光谱三、高光谱遥感的电磁辐射基础第二章第二章 第第1节节 光谱产生机理与电磁辐射光谱产生机理与电磁辐射武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感31.为什么高光谱遥感中要讨论物质结构？一. 光谱特征产生机理遥感影像解译与数字图像处理的一个重要差别影像数据 光谱特征像元灰度数值运算地面目标属性

2、分析武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感4一.光谱特征产生机理 高光谱遥感准确记录电磁波与物质间的这种作用随波长大小的变化，通过反映出的作用差异，提供丰富的地物信息，这种信息是由地物的宏观特性宏观特性和微观特性微观特性共同决定的。关键词：关键词： 绝对温度绝对温度 宏观特性宏观特性 微观特性微观特性 在绝对温度为0K以上时，所有物体都会发射电磁辐射，也会吸收、反射其他物体发射的辐射。2.物质的微观和宏观特性武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感5一.光谱特征产生机理A. 绝对温度（绝对温度（absolute temperature）热力学温度又称开尔文温度，或称绝对温度。绝对

3、零度时的温度定义为0K。冰水混合物的温度为273.15K。摄氏温度0 = 绝对温度273.15K = 华氏温度32 绝对温度的原理绝对温度的原理 一定质量的气体等压膨胀时，在常温下其Vt 图线为一条不过坐标原点的直线（盖吕萨克定律）。若实验测得这条图线，加以外推，找出图线与t轴的交点处的摄氏温度值，它就是使气体体积变为零的最低温度，即热力学温度（绝对温度）的零度。 2.物质的微观和宏观特性武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感6B.宏观特性宏观特性C.微观特性微观特性一.光谱特征产生机理分布、粗糙度、混杂物质结构 物质结构的微观特性和光谱存在直接的关系。物质的光谱，是研究物质结构的一把

4、钥匙。2.物质的微观和宏观特性武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感7一、光谱特征产生机理二、物质微观结构与光谱三、高光谱遥感的电磁辐射基础第二章第二章 第第1节节 光谱产生机理与电磁辐射光谱产生机理与电磁辐射武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感8二、物质微观结构与光谱 原子光谱与原子结构 分子光谱与分子结构 固体光谱与固体结构 微观结构主要涉及内容：武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感91. 原子光谱与原子结构二、物质微观结构与光谱 从只有一个电子的原子说起氢原子光谱氢原子光谱 最简单的光谱是氢原子光谱，因为氢原子的结构最简单，只有一个质子和一个电子。通过对氢原子

5、光谱产生过程的理解，可以了解一般原子光谱的产生机理。武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感10 原子受激发光是重要的原子现象之一， 光谱学的数据对物质结构的研究具有重要意义。二、物质微观结构与光谱1 .原子光谱与原子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感11二、物质微观结构与光谱1 .原子光谱与原子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感12 氢原子谱线的波长可以用下列经验公式表示：)11(22nkR, 3 , 2 , 1k, 3, 2, 1kkkn1-m710096776. 1R里德堡常量1(单位长度内的)波数二、物质微观结构与光谱1 .原子光谱与原子结构武汉大

6、学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感133 , 2, 1nk赖曼系，紫外区, 4 , 3, 2nk巴尔末系，可见光区, 5 , 4, 3nk帕邢系，红外区布拉开系，红外区, 6 , 5, 4nk普丰德系，红外区, 7 , 6, 5nk哈弗莱系，红外区, 8 , 7, 6nk二、物质微观结构与光谱1 .原子光谱与原子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感14（1 1）定态假设）定态假设 原子系统只能处在原子系统只能处在一系列不连续的能量状态，在这些状一系列不连续的能量状态，在这些状态中，电子虽然作加速运动，但并不态中，电子虽然作加速运动，但并不辐射电磁波，这些状态称为原子的稳辐射

7、电磁波，这些状态称为原子的稳定状态（简称定态），相应的能量分定状态（简称定态），相应的能量分别为别为 。,321EEE（2 2）频率条件）频率条件 当原子从一个能量为当原子从一个能量为 的的定态跃迁到另一能量为定态跃迁到另一能量为 的定态时，就要发的定态时，就要发射或吸收一个频率为射或吸收一个频率为 的光子。的光子。 nEkEknhEEknkn玻尔辐射频率公式玻尔辐射频率公式玻玻 尔尔二、物质微观结构与光谱 玻尔理论玻尔理论武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感15 其他元素的光谱也有类似的规律性原子光谱线系的规律性深刻地反映了原子内部的规律性。 原子所发射或吸收的光谱，是由一条条分离

8、的谱线组成的，一般称为线状光谱。各种原子都有各自的一组光谱，因而可以从光谱中识别出不同的元素。二、物质微观结构与光谱1 .原子光谱与原子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感16 原子原子外层外层电子跃迁所发射的光谱，位于电子跃迁所发射的光谱，位于 “紫外紫外-可见光可见光-近红外近红外”波段。波段。 原子原子内层内层电子的跃迁，产生的光谱是更电子的跃迁，产生的光谱是更高频高频的的 射线与射线与 射线射线。x1 .原子光谱与原子结构二、物质微观结构与光谱武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感172. 分子光谱与分子结构 同原子结构相比，分子结构的突出特点是存在化学键化学键。

9、分子光谱的产生机理除了电子能级跃迁之外，还拥有其自身的特征光谱。化学键(chemical bonding) 分子或晶体中原子(或离子)之间强烈的作用力叫做化学键。二、物质微观结构与光谱武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感18 分子之所以能够吸收或发射光谱，是因为分子中的电子在不同的状态中运动，同时分子自身由原子核组成的框架也在不停地振动和转动。 按照量子力学，分子的所有这些运动状态都是按照量子力学，分子的所有这些运动状态都是量子化量子化的。分子在不同能级之间的跃迁以的。分子在不同能级之间的跃迁以光吸收光吸收或或光辐射光辐射形式表现出来，就形成了形式表现出来，就形成了分子光谱分子光谱。

10、2. 分子光谱与分子结构二、物质微观结构与光谱武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感19 分子光谱的构成 分子状态 电子能级状态、振动态、转动态 分子能量 E = Ee + Ev + Er 分子光谱 分子中电子的跃迁, 分子中原子的振动, 分子的转动.二、物质微观结构与光谱2. 分子光谱与分子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感20),(),(rRErRH这里R，r 分别是核运动和电子运动的坐标。在量子力学理论中，包含核和电子的分子在量子力学理论中，包含核和电子的分子总总SchrSchrdingerdinger方程是方程是 eeNeeNNeeNNNVVVmMH222222

11、核动能核动能电子动能电子动能势能势能二、物质微观结构与光谱2. 分子光谱与分子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感21)()()(222RERREVMNNNeNNNN ),()(),(222rRRErRVVmeeeeeNeeee 核运动方程核运动方程电子运动方程电子运动方程 该方程中包含了分子的平动、振动和转动，它决定了分子的振动光谱和转动光谱。电子运动方程决定了分子的电子光谱。 以上方程涉及量子力学的范畴，本课程不做深究。二、物质微观结构与光谱武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感22vreEEEE分子的总能量主要由以下三项组成rveEE/ )(/112分子在两个能级之

12、间的跃迁给出了光谱：（a a）转动光谱）转动光谱：同一振动态内不同转动能级之间跃迁所产生的光谱。转动能级的能量差在10-310-6eV，故转动频率在远红外到微波区，特征是线光谱。二、物质微观结构与光谱2. 分子光谱与分子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感23（b b）振动光谱）振动光谱：同一电子态内不同振动能级之间跃迁所产生的光谱。振动能级的能量差在10-21eV，光谱在近红外到中红外区。由于振动跃迁的同时会带动转动跃迁，所以振动光谱呈现出谱带特征。H37Cl和和H36Cl的振动光谱的振动光谱吸收强度吸收强度28003000二、物质微观结构与光谱武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱

13、遥感高光谱遥感24（C C）电子光谱：）电子光谱：用分子光谱项标记，反映了分子在不同电子态之间的跃迁。电子能级的能量差在120eV，使得电子光谱的波长落在紫外、可见光区。 在发生电子能级跃迁的同时，一般会同时伴随有振动和转动能级的跃迁，所以电子光谱呈现谱带系特征.化学键使得电子为多个原子核共有化学键使得电子为多个原子核共有电子跃迁存在复杂性电子跃迁存在复杂性光谱谱线丰富光谱谱线丰富二、物质微观结构与光谱武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感25分子光谱分子光谱二、物质微观结构与光谱2. 分子光谱与分子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感26分子光谱的分布和特征分子光谱的分

14、布和特征电子光谱电子光谱1eV振动光谱振动光谱103102 cm-1转动光谱转动光谱 10cm-1二、物质微观结构与光谱2. 分子光谱与分子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感27 由于不同形式的运动之间有交叉作由于不同形式的运动之间有交叉作用，分子的电子运动、振动和转动是无用，分子的电子运动、振动和转动是无法严格分离的法严格分离的二、物质微观结构与光谱2. 分子光谱与分子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感28 从理论上讲，发射光谱与吸收光谱频率相同。但由于分子结构差异，能级跃迁存在多样性，所以不同分子存在不同的吸收峰。 思考：既然分子的发射光谱与吸收光谱频率相同

15、，那为什么各种大气分子存在不同的吸收特性？二、物质微观结构与光谱2. 分子光谱与分子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感29地球大气中重要的分子吸收光谱: H2O CO2 O3 二、物质微观结构与光谱2. 分子光谱与分子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感30 H2O 0.942 1.35 1.454 1.875 2.5-3 5.5-7 CO2 2.7 4.3 15 O3 0.3 0.6 (弱弱) （单位：微米）（单位：微米）二、物质微观结构与光谱2. 分子光谱与分子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感31要点总结： 1.分子的光谱特征主要由三方面决定

16、，即分子的转动光谱、分子的振动光谱和分子的电子光谱。 2.引起这三种特征光谱的原因，分别是分子自身的转动、分子中原子的振动和分子中电子的跃迁。 3.转动光谱位于远红外到微波区，振动光谱位于近红外到中红外区，而电子光谱则位于紫外、可见光区。 二、物质微观结构与光谱2. 分子光谱与分子结构武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感323. 固体光谱特点 固体光谱一般是连续光谱，由于固体结构复杂，固体结构与固体光谱之间的对应关系也就非常复杂。 从可见光及近红外遥感技术的当前现状来看，固体发射、吸收光谱涉及较少。 在应用中，固体的反射光谱特征占据主导地位。二、物质微观结构与光谱武汉大学武汉大学 龚

17、龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感33一、光谱特征产生机理二、物质微观结构与光谱三、高光谱遥感的电磁辐射基础第二章第二章 第第1节节 光谱产生机理与电磁辐射光谱产生机理与电磁辐射武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感34 电磁辐射基本原理 太阳辐射 地球辐射三、高光谱遥感的电磁辐射基础武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感351.电磁辐射基本原理电磁波电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。 描述电磁波特性的指标描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性电磁波的特性电磁波是横波，传播速度为3108 m/s;不需要媒质也能传播;与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射.

18、三、高光谱遥感的电磁辐射基础(a)(a)基础知识回顾基础知识回顾武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感36电磁波谱电磁波谱三、高光谱遥感的电磁辐射基础1.电磁辐射基本原理武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感37三、高光谱遥感的电磁辐射基础1.电磁辐射基本原理 遥感应用的电磁波段遥感应用的电磁波段武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感38(b)(b)电磁辐射的定量描述电磁辐射的定量描述三、高光谱遥感的电磁辐射基础1.电磁辐射基本原理 辐射能量辐射能量 Q Q 辐射通量辐射通量 辐射通量密度辐射通量密度 E E 辐射亮度辐射亮度 L L武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感

19、高光谱遥感39 辐射能量辐射能量 Q Q三、高光谱遥感的电磁辐射基础(b)(b)电磁辐射的定量描述电磁辐射的定量描述武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感40 辐射通量辐射通量 (radiant flux) (radiant flux) 三、高光谱遥感的电磁辐射基础(b)(b)电磁辐射的定量描述电磁辐射的定量描述武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感41 辐射通量密度辐射通量密度(b)(b)电磁辐射的定量描述电磁辐射的定量描述三、高光谱遥感的电磁辐射基础(irradiance) E、(radiant exitance) M武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感42 辐射

20、亮度辐射亮度 (radiance) L(radiance) L三、高光谱遥感的电磁辐射基础(b)(b)电磁辐射的定量描述电磁辐射的定量描述武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感43三、高光谱遥感的电磁辐射基础(b)(b)电磁辐射的定量描述电磁辐射的定量描述武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感44(c)(c)黑体辐射黑体辐射三、高光谱遥感的电磁辐射基础 绝对黑体绝对黑体 实际物体的辐射实际物体的辐射武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感45 黑体辐射特性黑体辐射特性三、高光谱遥感的电磁辐射基础再对温度再对温度差分差分TTW34说明说明: 辐射能量随温度辐射能量随温度变化的梯度很大变化的梯度很大4TW对波长对波长积分积分亮温亮温遥感可用于温度监测的基本理论依据（星体、地表）武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感46 黑体辐射特性黑体辐射特性三、高光谱遥感的电磁辐射基础对普朗克函数求波长曲线极值，得到：对普朗克函数求波长曲线极值，得到：0max2898mKT可用来选择对特定地物的监测波段波段，如火灾检测。光谱位移定律对遥感研究有何意义