光与物质相互作用

光和物质相互作用组员：************光科13**目录发光的物理研究光的汲取光的色散光的散射激光原理及其应用举例1.发光定义、特点什么是发光？发光就是物质在热辐射以外以光的形式发射出剩余的能量，而这种剩余能量的发射过程拥有必定的连续时间。发光差异于光的散射、反射等物理过程。发光的两个主要特点发出的总辐射中高出热辐射的部分；当激发源停止对物体的作用后，发光现象还会连续必定的时间。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依照辐射方式分类自觉辐射受激辐射受激汲取发光的物理研究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，原子拥有确定的能量。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，同时陪伴着能量的变化。电子在不同轨道之间跃变，原子向外开释或汲取能量。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必定态，会发射或汲取一个光子，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连续时间约10-8s原子或分子的发光过程是相互独立的、随机的光源发出的连续光波其实是大量原子或分子发光的总成效。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到的发射光谱——辨别不同原子的标记分子发射光谱若干光谱带构成的带状光谱分子能级结构特别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流传时，因为光波和物质的相互作用，一般表现两种效应光的汲取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)现象汲取(absorption)现象(部分光波沿其余方向流传)(光能变换成其余形式的能量)（光能减弱）光的汲取光汲取的种类一般汲取（generalabsorption）在给定的波段范围内，若介质对光的汲取极少，并且光汲取量与波长没关。在可见光范围内，一般汲取意味着光经过介质后不改变颜色而只改变强度。选择汲取（selectiveabsorption）在给定的波段范围内，媒质汲取某种波长的光能比较明显。在可见光范围内，选择汲取意味着光经过介质后既改变颜色也改变强度。光的汲取朗伯定律比尔定律朗伯定律称为汲取系数，“－”号表示随x增加I减小。将上式积分：光的汲取I0III-dI光的汲取（朗伯定律的数学形式）引入透光率T和汲取度A，并定义，，上式表示为实验表示，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。所以，朗伯定律合用于光强变化相当大的场合。光的汲取比尔定律比尔定律是朗伯定律在溶液情况下的应用。稀溶液的汲取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。汲取度A与浓度C呈线性关系（比尔定律的数学表达式）光的汲取实质测量中观察到汲取度与浓度关系偏离线性的状况，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汲取本领不受它四周周边分子的影响时才成立。光的反射、散射、温度、时间、压力等都会对照尔定律产生影响。朗伯定律一直成立，但比尔定律有时不必定成立。汲取光谱光的汲取当一束复色光透过必定厚度的介质时，利用介质对光的汲取作用因波长而异，可产生汲取光谱。产生连续光谱的光源所发的光，经过拥有选择汲取特征的物质后，用光谱仪能够观察到，在连续的发射光谱中，表现出与发生汲取的波长地区相对应的一些暗线或暗带，这就是汲取光谱。光源单色仪样品室检测仪放大仪计算机输出装置紫外－可见光分光光度计原理图光的汲取若用原子化妆置取代样品室，即可获取某元素的原子汲取光谱。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，原子即可汲取外来光，产生汲取光谱。每种元素都有其特点汲取波长和汲取光谱原子汲取光谱宽泛应用于定量分析中钠原子汲取光谱对于气体、液体和固体而言，一般在红外区有选择汲取。汲取谱线宽度增大且构成连续谱带，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。光的汲取原子汲取光谱的应用探测太阳的元素构成太阳光谱是典型的暗线汲取光谱，在其连续光谱的背景上表现有一条条的暗线，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，对更为火热的内核发射的连续光谱进行选择汲取的结果。将这些汲取谱线的波长，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。氦元素第一就是在太阳光谱中发现的。原子汲取光谱的敏捷度很高，混淆物或化合物中原子含量极少的变化，都会在光谱中反应出汲取系数很大的改变。历史上，曾靠这种方法发现了铯、铷、铊、铟和镓等多种元素。光的汲取原子汲取光谱在化学的定量分析中有宽泛的应用带状汲取光谱用来定性判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汲取，汲取谱线密集地构成带状，形成带状汲取光谱。不同的分子有其明显不同的红外汲取光谱，即即是分子量相同且其余物理化学性质也基本相同的同质异构体，它们的红外汲取光谱也明显不同。光的色散光的色散色散率光的色散光在物质中流传时，其速度将比真空中小，并且不同频率的光在同一物质中的流传速度不同。所以，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n＝n()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芒经过棱镜的最小偏向角，能够依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资料的色散曲线曲线特点：拥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像关系。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示dn/d<0（常数B一直为正），并且色散率的数值随波长的增加而减小，与实验测得的正常色散曲线符合。失常色散光的色散1862年，勒鲁用碘蒸气充满三棱柱形容器研究光的折射现象，观察到紫光的折射率比红光的小，因这一现象与正常色散相反，勒鲁称其为失常色散。失常色散老是发生在物质的选择汲取带。（孔脱）氰苷溶液色散的实验曲线曲线上从M点到N点为选择汲取地区，在此地区内，折射率跟着波长的减小而减小，即失常色散。在汲取地区外，折射率跟着波长的减小而增大，是正常色散。光的色散石英的色散曲线可见光区的折射率满足科希公式（曲线PQ段），所以，在可见光地区是正常色散若向红外处区延长，在汲取带(图中R点)周边，明显偏离正常色散曲线过了汲取带从头进入透明波段时，曲线又逐渐恢复为正常色散曲线总结物质的色散曲线都是由正常色散地区和失常色散地区所构成的。不管是气体、液体或固体介质，在必定的波长地区内，都会有选择汲取，在这些地区中老是表现出失常色散。光的散射光的散射光束在介质中流传时，部分光芒偏离原方向分别流传的现象称为光的散射。光散射的基本规律从分子理论来看，光波射入介质后，将激起介质中的电子作受迫振动，从而发散出相关次波。只需分子密度是均匀的，次波相关迭加的结果，只剩下依照几何光学规律的沿原方向流传的光芒，其余方向的振动完好抵消；若介质是不均匀的，它能够破坏次波的干涉相消，从而惹起光的散射。光的散射光的散射光经过介质时，散射会使透射光的强度减弱，当仅考虑散射时，透射光依照指数衰减规律：实质上介质对光的汲取和散射同时存在，故透射光的强度为：式中为吸收系数，（+）为衰减系数。式中I0为入射光强，为散射系数。光散射的基本种类光的散射据介质不均匀性质的因由，散射分为两类：延德尔散射光经过悬浮质点（或微粒）的散射，如光在胶体、乳浊液以及含有烟、雾、尘埃的大气中的散射。分子散射在表面看来十分纯净、均匀的液体平和体中，也能观察到较轻微的散射。这种因介质分子的密度涨落而惹起的散射称为分子散射。物质处于气、液二相的临界点时，密度涨落很大，在光芒照射下会的出现激烈散射，亦属分子散射。瑞利散射光的散射瑞利第一研究了第二类散射的规律，发现散射光与入射光的频率相同，所以，这种散射又称瑞利散射。（瑞利散射定律的数学表达式）利用瑞利散射定律能够解说旭日与夕阳的色彩。地球正正午的太阳夜晚时的太阳散射原理宽泛应用于饮料与药物纯度的检验。光的散射利用瑞利散射定律解说白天天空之亮——大气散射把阳光从各个方向射向观察者，不然，只看到在漆黑的背景中有一轮光辉醒目的太阳。天空是蓝色的——照瑞利散射定律，白光中波长较短的蓝、紫色光所遇到的散射，要比波长较长的红、黄色光激烈得多。散射光将因短波的富集呈湛蓝色，而透射光将呈红色。这就是天空呈湛蓝色，旭日和夕阳呈红色的原因。雨后天更蓝——大气散射（主要）密度涨落惹起的分子散射+（其次）悬浮尘埃的散射，前者的尺度比后者小得多，瑞利4反比律的作用更为明显。所以，每当雨过天晴的时候，天空老是蓝得分外漂亮。拉曼散射光的散射1928年，印度科学家拉曼在研究溶液对光的散射时，发现散射光中除了有与入射光频率0相同的瑞利光外，还有一部分别射光的频率与入射光不同，这种散射光的频率为这种散射光的波长不同于入射光的波长的散射现象称拉曼散射，相应的光谱称为拉曼光谱。应用：研究分子结构、化学成分的一种主要方法。激光的出现，使拉曼光谱技术获取了再生，从而得以快速发展。拉曼在拉曼散射方面卓有见效的研究，使他荣获1930年诺贝尔物理学奖。他是印度，也是亚洲第一位获此殊荣的科学家。激光特点亮度高单色性好方向性好相关性高激光原理及其应用举例激光原理激光原理及其应用举例原子发光的三种跃迁过程(方式)hhhhh受激汲取（原子的光激发）受激辐射（光放大）自觉辐射E!E2吸收前E!E2发光前汲取后发光后E!E2发光前发光后受激辐射不但实现了光放大，并且产生的是相关光。激光原理及其应用举例依据玻尔兹曼分布律,热均衡时拥有能量Ei的原子数在能级E1和E2的原子数之比在能级E1-E2的=1eV,T=300K,则原子数之比约为10-40.E!E2产生激光的基本条件激光原理及其应用举例实现粒子数反转!一定采纳特别方法E2E1N2N1●●●●●●●h●E2E1N2N1●●●●●●●●h●N1>N2,汲取为主N2>N1,受激辐射为主只有N2>N1才能受激比汲取多，光放大粒子数反转热均衡时，高能级上原子数目极少,汲取比受激辐射多受激辐射、汲取几率与对应原子数成正比非热均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)无辐射跃迁E!E3E2激发态亚稳态基态三能级系统四能级系统泵浦无辐射跃迁泵浦E!E4E3激发态亚稳态基态E2实现粒子数反转!一定采纳特别方法非热均衡非热均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碰撞He21s23s碰撞亚稳态Ne3s2s3p2p1150nm632.8nm3390nm电子经电场加快后，与He碰撞。处于激发态的He与Ne碰撞，把能量传达给Ne，使它在亚稳态（3s、2s）和激发态（3p、2p）之间形成反转分布。激光器构成部分激光原理及其应用举例泵浦源全反射镜部分反射镜激光光束在谐振腔内来回震荡，在工作物质中的流传使光得以放大，并输出激光。光学谐振腔使某一方向、某一频率的辐射不断获取增强，其余方向、其余频率的辐射遇到克制的装置激光的应用举例激光原理及其应用举例物理化学生命科学技术激光微量元素检测光谱相干控制激光冷却激光催化飞秒化学标准确定光学信号处理激光视力测试激光美容激光手术材料加工通讯技术时间同步牙科应用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增强激光照射材料材料反射与吸收温度快速升高奥氏体转变快速冷却马氏体转变激光原理及其应用举例激光气化应用激光照射资料资料反射