原子分子光谱-第九次(复习)-2010.11.26.ppt

1、1,原子分子光谱 郭福明 原子与分子物理研究所 2,本门课程重点复习内容,3,微观粒子运动与电磁辐射的对应：,4,5,6,7,8,自旋-轨道相互作用（能级的精细结构）：,由于旋轨相互作用的存在，使得原子的能级具有精细结构,j= s,9,10,LS谱项：,1.由Pauli不相容原理，任意两电子的（n、l、ml、ms）不能完全相同， 同科电子允许的谱项只能是L+S为偶数的项。 2.对于闭壳层电子，总的轨道角动量、总自旋角动量及总角动量均为 零，所以闭壳层电子对光谱项中的L、S、J没用贡献，所以我们只需 考虑非闭壳层即可，nlm与nl2（2l+1）-m允许谱项相同。 。,1

2、1,实例：,12,LS耦合下的能级结构：,在LS耦合下pd组态能级结构与各种相互作用,13,多电子原子的磁矩,14,在外磁场中，原子由于具有总磁矩j，而产生与磁场的附加的相互作用能：,由于总角动量j的空间取向量子化 （mj=-j，-j+1，j），磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。劈裂的能级个数为2j+1。,跃迁选择定则： M=0，1,15,塞曼(Zeeman)效应,16,正常塞曼效应：,电子发生跃迁前后两个原子态的总自旋都为零的谱线称为单态谱线，单态谱线分裂为三条的现象称为正常塞曼效应。,当s1=s2=0 时,反常塞曼效应：,反常塞曼效应是上下能级s1,s2都不等于零，g1,g2都不等于

3、1，非单态能级之间的跃迁,17,超精细结构：,1.磁超精细结构（核自旋效应）,2.电超精细结构（核电四极矩效应）,3.同位素效应,18,由于原子核的质量比电子的质量大几千倍，当核的分布发生微小变化时，电子能够迅速调整其运动状态以适应新的核势场，而核对电子在其轨道上的迅速变化却不敏感。因此，波恩和奥本海默将电子运动和核的运动分开，讨论电子运动时近似认为电子是在不动的核的势场中；讨论核运动时，认为核受到一个与电子坐标无关的有效势的作用，这就是波恩-奥本海默近似。,Bohn-Oppenheimer近似:,研究电子：A、B核不动,研究核：不显含电子坐标，电子提供一个平均的有效势,回顾,19,20,分子

4、的转动、振动、电子能级示意图,E e E v Er,Er：1040.05eV ：0.8400cm-1 位于微波和远红外光区 Ev：0.051eV ：4008000cm-1位于红外光区 Ee：120eV ：81031.6l05cm-1位于紫外、可见光区,21,回顾,双原子分子转动光谱,转动跃迁选律: 整体选律: 只有极性分子才有转动光谱; 具体选律:J=1.,22,转动能级,回顾,转动光谱,23,具体选律：才有v=1的跃迁是允许的.,谐振子能级图,回顾,24,得到信息,总结:,25,26,振动激发可以同时伴随转动激发，用高分辨率红外光谱仪可观察到振转光谱. 例如, HCl的振转光谱如下:,P支

5、Q支 R支,27,电偶极跃迁速率：,28,29,30,能级寿命和宽度：,当 时，激发态i的原子数目减小为原来的1/e。,31,32,谱线宽度和线型：,1.自然线宽：能级的寿命带来的谱线的自然地展宽,洛伦兹线型,33,2.多普勒宽增宽：,发光原子或分子与接收器间的相对速度带来的接收到的辐射谱线的增宽我们称之为多普勒宽度。,高斯线型：,34,（1）碰撞作用使发光粒子突然中断发光而缩短寿命造成能级展宽。,3.碰撞增宽：,（2）由于碰撞使波列发生无规则的相位突变所引起的波列缩短，等效于寿命缩短。,洛伦兹线型：,35,例：氦氖激光器和CO2激光器的三种谱线增宽。,T=300K, Ne 原子6328(63

6、2.8nm,红光)谱线不同机理的增宽:,此谱线主要机理是Doppler增宽,36,瑞利散射和拉曼散射,37,散射光强与4成反比。,把线度小于光的波长的微粒对入射光的弹性散射，称为瑞利散射。,1.瑞利散射：,38,2.拉曼散射,在散射光中出现与入射光频率不同的散射光，这种现象称为拉曼散射。,瑞利散射,斯托克斯散射,反斯托克斯散射,39,CCl4的Raman光谱图,40,同步辐射,41,42,1. 辐射光的波长连续可调、范围宽； 2. 亮度高； 3. 准直性好； 4. 单色性好； 5. 偏振光； 6. 有特定的时间结构； 7. 稳定。 8.多用户,同步辐射特性：,43,分光系统 将由不同波长的“复

7、合光”分开为一系列“单一”波长的“单色光”的器件。,1. 棱镜：,棱镜分光系统使辐射沿焦面呈非线性色散，短波的色散大于长波。,44,光栅,反射光栅,透射光栅,透光宽度,不透光宽度,光栅常数d, 大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面)构成的光学元件,光栅宽度为 l ，每毫米缝数为 m ，则总缝数,光栅,45,缝间干涉主极大就是光栅衍射主极大，其位置满足, 光栅方程,多缝干涉主极大光强受单缝衍射光强调制，使得主极大光强大小不同，在单缝衍射光强极小处的主极大缺级。,缺级条件,如,缺级,缺级,缺级条件分析,三. 衍射和缝间干涉的共同结果,46,47,单缝衍射和缝间干涉的共同结果,几种缝的光栅衍射,48,

8、斜入射的光栅方程,主极大条件,k = 0, 1, 2, 3,缺级条件,最多明条纹数,p,49,k=0,闪耀光栅,光栅分辨率：,50,入射狭缝S1,出射狭缝S2,球面镜M1,球面镜M2,反射光栅G（闪耀光栅）,S1处于M1的焦平面处。,光栅单色仪,S2处于M2的焦平面处。,51,常用激光器由三部分组成：,工作物质 泵浦源 光学谐振腔,激光,激光器结构示意图,1.激光器的结构,52,2.激光器的分类,53,（1）方向性好,3. 激光的特性,（2）单色性好,(3) 亮度高,(4) 相干性好,54,4.激光器原理,受激辐射光放大,55,56,实现粒子数反转,电激励,化学激励,热激励,光激励,激励(又称

9、泵浦),57,三能级系统,四能级系统,58,采用光激励方法： 受激和发光都在Cr3+上进行，是典型的三能级系统。,红宝石激光器,59,氦氖激光器是四能级系统(电激励),回顾,电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转，产生激光跃迁的是Ne气，He是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速率,60,3) 二氧化碳激光器,工作物质：CO2、N2和He的混合物 激光波长：10.6微米、9.6微米（远红外光） （利用基态的不同振动态的转动能级之间的跃迁，故光子能量小） 特点：激光器效率高、输出能量大、功率高。,四能级、电激励,61,4）染料激光器,有机化合物液体（染料）激光器，简称

10、染料激光器 染料激光器：若丹明6G、隐花青，豆花素 特点：激光波长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短的超短脉冲（3fs）、可获得窄的谱线宽度 广泛应用到光生物学、光谱学、光化学同位素分离、全息照像等技术中，研究物质的瞬态变化过程及微观动力学。,62,四能级,63,5）半导体激光器,半导体激光器以半导体为工作物质，常用材料有GaAs（砷化镓）、InP等。具有小型、高效率、结构简单、价格便宜等优点，在光纤通信、激光唱片、光盘、数显、准直等领域得到广泛应用。,半导体激光器又称为半导体激光二极管，或简称激光二极管，英文缩写为LD (Laser Diode)，是实用中最重要的一类激光器 。,64,利用半导体中载流子（电子或空穴）在导带和价带之间的受激跃迁而实现受激辐射光放大。（半导体中的电流是电子和空穴的移动而形成的，称为载流子。）,65,6）自由电子激光器,66,介质的增益作用,67,一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。,光学谐振腔的作用,68,振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用TEMmnq表示。,m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数,称横模数。,q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称纵模数。,1.纵模 能引起振荡的频率关系 2.横模 光场在横向不同的稳定分布。,69,8.激光形成的阈值条件,光在谐振腔内受到各种损耗