第二章电磁波谱

第二章电磁波谱第一页，共三十二页，编辑于2023年，星期四第一节电磁波的基本概念和性质一、基本概念二、电磁波的特性第二页，共三十二页，编辑于2023年，星期四一、基本概念电磁波电磁辐射波速波长周期频率振幅初相位第三页，共三十二页，编辑于2023年，星期四电磁波是交变电磁场在空间的传播，它是物质运动，能量传递的一种特殊形式.电磁辐射电磁波能量的传递过程（包括辐射、吸收、透射等现象）波粒二象性电磁辐射具有波动性和粒子（量子）性两方面特征。波速波在单位时间内传播距离。电磁波在真空中的传播速度为每秒3108米/秒（每秒30万公里），通常用C表示。第四页，共三十二页，编辑于2023年，星期四波长：是在同一波线上两个相位差为2的质点之间的距离，即一个完整波的长度，以C表示周期：以任点开始，振动传播一个波长所需的时间，以T表示。频率：单位时间内波动前进过程中所包含的波数，以表示振幅：振动点离开平衡位置两边的最大位移。以A表示，也称强度初相位：波形的时间提前或延后量以表示。第五页，共三十二页，编辑于2023年，星期四二、电磁波的特性电磁波叠加干涉衍射偏振多普勒效应色散波粒二象性第六页，共三十二页，编辑于2023年，星期四电磁波叠加当振动方向和振动频率均不同的多列电磁波在空间相遇时，相遇点的复合振动等于各列波在该点的矢量和，而在其它位置各列波仍保持原有的特征（振动方向、频率等保持不变），因此，波的传播是独立的.干涉两列频率、振动方向、相位都相同或相位差恒定的电磁波叠加时，某些部位振动永远加强，而另一些部位的振动永远减弱或完全抵消的现象，称为电磁波的干涉衍射如果电磁波投射击在一个它不能透过的有限大小的障碍物上，将会有一部分波从障碍物的边界外通过，这部分波在超越障碍物时，会改变方向绕过其边缘而达到障碍物后面的阴影区第七页，共三十二页，编辑于2023年，星期四偏振通常电场强度在各方向（垂直于传播方向的平面上）是相等的，若其总是固定在某个方向振动，则称电磁波在该方向被极化（偏振）。依电场强度与入射面（通常是地表面）的关系为水平极化（H）和垂直极化（V），水平极化两者相互垂直，垂直极化两者互相平行——一般可见近红外波段称偏振，微波波段称极化。多普勒效应当一个频率为f的电磁辐射源向着,或背着观察者运动时，则观察者从这个源所接收到的辐射将具有另一个频率f‘。如果辐射源向观察者运动，f‘大于f，如果背离观察者运动，则f‘小于f。第八页，共三十二页，编辑于2023年，星期四色散当进入介质时，不同波长的光波在同一介质中的波速就有差异而分解。波粒二象性波动性－－主要表现为电磁波有干涉、衍射、偏振、散射等现象。粒子性－－电磁波实质上是光子微粒流的有规律的运动，主要表现为电磁辐射的光电效应、光化学作用等现象。较短波长的电磁波主要表现出粒子性，波长越短，粒子性表现愈明显；而长波电磁波则主要表现出波动性第九页，共三十二页，编辑于2023年，星期四第二节电磁波谱及其产生机理一、电磁波谱的概念二、电磁波谱的产生的物理机制第十页，共三十二页，编辑于2023年，星期四一、电磁波谱的概念电磁波谱将各种电磁波按其波长的（频率）大小，依次排列成图表，这个图表就叫电磁波谱。电磁波是粒子（电子、原子、分子等）发生能级跃迁时产生的，到当粒子从较高能级跃迁到较低能级时发射电磁波；反之，形成吸收电磁波。不同的粒子，发生不同的能级跃迁，产生不同能量，也就是不同波长的电磁波。第十一页，共三十二页，编辑于2023年，星期四二、电磁波谱的产生的物理机制玻尔理论原子光谱分子光谱晶体光谱第十二页，共三十二页，编辑于2023年，星期四玻尔理论氢原子光谱：一个质子和一个电子组成实验证实：紫外——可见光——红外均出现氢原子光谱，由不同线系组成。每一线系内，谱线排列的间隔和强度均朝短波方向有规律地递减。波长经验公式为：用波数表示为：R为理德伯常数第十三页，共三十二页，编辑于2023年，星期四

1）原子存在于一系列不连续的稳定状态（定态），每一定态与一定的能量相对应。定态下不产生辐射。2）原子定态是有限制的。电子动量矩的整数倍的轨道才存在，即：上式称主量子化条件；n=1,2,3,…正整数，称主量子数；普朗克量子数3）原子只有从一个能量为E’的定态跃迁到另一个参量为E”的定态时才发射或吸收电磁辐射，其频率为：第十四页，共三十二页，编辑于2023年，星期四氢原子半径氢原子中的电子（带一个-e电荷）半径为r的圆形轨道上围绕原子核（+Ze）运动时受两个力作用：离心力及核对它的库仑引力，二者大小相等：根据玻尔理论得：未激发基态半径：激发基态半径：第十五页，共三十二页，编辑于2023年，星期四氢原子量子化定态能量电子在半径为r的轨道上的势能为：；动能为：总能量为：定态能量为：发生级跃迁时，辐射光子的波数为：与经验公式完全一致第十六页，共三十二页，编辑于2023年，星期四其它原子要复杂原子核质子、电子多椭圆形轨道第十七页，共三十二页，编辑于2023年，星期四原子光谱原子核能级间跃迁:原子核能级间跃迁能量数量级：产生的光子：γ射线内层电子能级间跃迁：能量数量级：产生的光子：X射线外层电子的跃迁:能量数量级几至数十产生紫外线、可见光和近红外线第十八页，共三十二页，编辑于2023年，星期四分子光谱分子光谱：分子内部的电子运动比原子内部的电子运动复杂得多，除了电子跃迁外，还有分子内原子的振动与整个分子的转动分子与原子一样也有它的特征的分子能级图，因此可以产生分子光谱。第十九页，共三十二页，编辑于2023年，星期四分子光谱分子的能量E为：E=Ee+Ev+ErEe：电子能级的能量，其数量级在1~20eV之间。Ev：振动能级的能量，其数量级在0.05~1eV之间。Er：转动能级的能量，其数量级在10-4~0.05eV之间。第二十页，共三十二页，编辑于2023年，星期四HHOOHHOHHλ=2.738μmλ=2.663μm不同的振动方式，产生不同波长的光子水蒸汽分子键长不同变化产生不同的部分振动光谱：λ=6.270μm第二十一页，共三十二页，编辑于2023年，星期四晶体光谱晶体中的吸收与发射光谱远比原子与分子复杂，产生的是连续光谱，其光谱范围大约在红外区3~30μm。第二十二页，共三十二页，编辑于2023年，星期四第二十三页，共三十二页，编辑于2023年，星期四电磁波谱的划分及各谱段的特性一、电磁波谱的划分二、各谱段的特性(２)第二十四页，共三十二页，编辑于2023年，星期四一、电磁波谱的划分波长范围不同的电磁波具有不同的特点。电磁波谱的划分主要是根据不同波长电磁波的特性来进行的。第二十五页，共三十二页，编辑于2023年，星期四第二十六页，共三十二页，编辑于2023年，星期四二、各谱段的特性宇宙射线r—射线x—射线紫外线可见光红外线微波第二十七页，共三十二页，编辑于2023年，星期四宇宙射线波长<10-8um，是来自宇宙天体具有很大能量和贯穿能力的电磁皮，人工还无法能产生。遥感上了未能用得上的波段。r—射线10-8—10-6um,是能量很高的波段。航空物探放射性测量所记录的就是由含放射性元素的矿物所辐射出来的射线。x—射线波长10-6—10-2um

，宇宙中来的—射线，被大气层全部吸收，不能用于遥感工作。第二十八页，共三十二页，编辑于2023年，星期四波长0.01—0.３８um。波长小于0.28微米的紫外线；主要产生于内层电子跃迁被臭氧层及其它成份吸收。只有波长0.28—0.38的紫外线，能部分穿地大气层，但散射严重，只有部分投射到地面，并使感光材料所感应，可作为遥感工作波段，称为摄影紫外。现已开始用于监测气体污染及水体的油污染。紫外线第二十九页，共三十二页，编辑于2023年，星期四波长0.38—0.76um是人眼可见，可以用棱镜分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光;在太阳辐射能中所占比例高；能透过大气层；外层电子跃迁产生而地面物体对七色光多具有其特征的反射和吸收特性,故信息量最大；可以用摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常用的波段。可见光波段的遥感技术最成熟，但仍然有很大潜力。当前分辨能力最好的遥感资料，仍然是在可见光波段内。可见光第三十页，共三十二页，编辑于2023年，星期四波长0.77—1000(um)。可分为近红外波段（0.76—3um），中红外（3—6um），远红外（6—15um），超远红外（15—1000um）近红外波段是地表层反射太阳的红外辐射，故又称反射红外。其中靠近可见光红光的0.76—1.3um波段可使胶片感光，故又称摄影红外。而中远红外是地表物体发射的红外线，反映物体的热特征，故称热红外。热红外只能用扫描方式，经过光电信号的转换才能成象。主要为分子光谱超远红外，处于非大气窗口（大气屏障）红外是一个很有发展潜力的遥感波段。红外线