02 第二章 电磁辐射与材料的相互作用

1、1.第2章，电磁辐射和材料之间的相互作用，第1节，辐射吸收和发射、辐射散射、光电离的概述，第2节，各种特征光谱、基本原子光谱、分子光谱、光电子光谱、俄歇电子光谱、核磁共振光谱等。第3节，X射线产生和与物质的相互作用，X射线与物质的相互作用，X射线衰减，X射线防护，张宝树，西南科技大学，第2节，电磁辐射(-X-U-V-I-M-R)，反射，折射，散射，干涉，衍射，偏振，发射，电子，离子，吸收，荧光(次级电磁辐射)，原子，分子，电离，解吸，电磁，第1节，第3节的概述，不是测量光谱，不包括能级跃迁。它基于电磁波只改变其方向和物理性质的现象，如折射、反射、散射、干涉、衍射和偏振。非光谱技术包括折射、干涉

2、、偏振、浊度、x光衍射等。测量的信号是由物质内部能级跃迁产生的发射、吸收或散射光谱的波长和强度。光学分析：一种基于测量物质发射或吸收的电磁波的波长和强度的分析方法。光学分析，光谱学，非光谱学，广义发射，4，1。辐射的吸收和发射。辐射的吸收和吸收光谱。辐射的发射和发射光谱。光谱分类，5，1。辐射的吸收和吸收光谱，辐射的吸收：当辐射穿过物质时，某些频率的辐射由粒子(原子、离子)组成。辐射吸收的本质：辐射使物质粒子经历从低能级(通常是基态)到高能级(激发态)的能级跃迁。吸收条件：选择性吸收的辐射光子能量应该是跃迁后和跃迁前两个能级之间的能量差，即h=e=E1-E2、E2和E1。辐射(能量)(通常是吸

3、光度)的吸收程度与或之间的关系(曲线)，即辐射对或的吸收程度的分布，称为吸收光谱。6，吸光度a，或，吸收峰(带)，透射率t，吸收峰(带)，或，吸收光谱图，不同的物质有自己的特征吸收光谱。辐射发射和发射光谱，辐射发射：物质吸收能量并产生电磁辐射的现象。辐射发射的本质：辐射跃迁，即当物质粒子吸收能量并被激发到高能态(E2)时，它们立即返回到基态或低能态(E1)，多余的能量以电磁辐射的形式释放出来。发射电磁辐射的频率取决于辐射前后的能级差(E2和E1)，即辐射发射的前提：使物质吸收能量，即激发。非电磁辐射激发(非光激发)热激发：电弧、火花等放电光源通过热运动粒子与火焰碰撞，激发物质；电(亚)激发：材

4、料被电场加速的电子轰击激发。(2)由电磁辐射(光致发光)作为激发源激发的辐射光子称为初级光子，而由物质粒子被激发后的辐射跃迁发射的光子称为荧光或磷光。初级光子吸收和次级光子发射之间的短延迟时间(10-810-4秒)称为荧光。长延迟时间(10-410秒)被称为磷光。物质的激发方式：9。物质粒子发射的辐射强度分布称为发射光谱。光致发光被称为荧光或磷光光谱。不同的物质粒子有自己的特征发射光谱。发射强度或发射光谱图、发射曲线，用胶片或感光玻璃记录，10，3。光谱分类，根据辐射与物质相互作用的性质，光谱分为吸收光谱、发射光谱和散射光谱(拉曼散射光谱)。根据物质粒子的不同，吸收光谱和发射光谱可以分为原子光

5、谱和分子光谱。光谱可以分为四个部分、11、线光谱(钠蒸气吸收光谱)、线光谱(氢原子发射光谱)、带光谱(苯蒸气吸收光谱)、带光谱(氰化物分子发射光谱)、线光谱和带光谱的例子、12、分类吸收光谱穆斯堡尔谱x射线吸收光谱紫外和可见吸收光谱红外吸收光谱顺磁共振光谱核磁共振光谱发射光谱x射线荧光光谱原子荧光光谱分子荧光(磷光)光谱散射光谱拉曼光谱(联合散射光谱)、吸收光谱分类、 电子自旋共振光谱，14，发射光谱分类，15，2，辐射散射，辐射散射：电磁辐射与物质相互作用并部分偏离原始入射方向并分散和传播的现象。 物质与入射辐射相互作用产生的散射的基本单位可以称为散射本原。散射基元是物理粒子，可能是分子和原

6、子中的电子，取决于材料结构和入射光线的波长。弹性散射或相干散射，非弹性散射或非相干散射，辐射散射，16，1。分子散射，瑞利散射(弹性散射):入射光子与分子发生弹性碰撞，只有光子运动方向发生变化，而能量没有变化。瑞利散射光线与入射光线具有相同的波长。拉曼散射(非弹性散射):入射光线(单色光)的光子与分子之间的非弹性碰撞，以及当光子运动方向改变时能量增加或损失的散射。拉曼散射线的波长与入射光线略有不同，波长比入射光线短的称为反斯托克斯线，否则称为斯托克斯线。拉曼散射的本质：入射光子与分子相互作用时分子的振动能级或旋转能级跃迁。分子散射，瑞利散射，拉曼散射，斯托克斯线，反斯托克斯线，瑞利，斯托克斯，

7、拉曼，17，2。晶体中的电子散射，x光和其他光谱辐射照射晶体，电子是散射元素。相干散射(经典散射或汤姆逊散射)晶体中的电子散射(康普顿-吴荀攸效应、康普顿散射、量子散射)，18，电子对强度为I0的偏振入射射线的散射波的强度Ie为(2-3) e电子电荷；m电子质量c光速；R散射线上任意点(观测点)与电子之间的距离；散射线方向和光矢量(电场矢量)E0之间的角度。相干散射如果散射本原是原子核，散射强度是多少？汤姆逊公式，19，非相干散射，散射波长的增加值随散射方向而变化，关系为=-=0.00243(1-cos2)(nm) (2-4)，康普顿公式，反冲电子，非相干散射的产生，散射方向与入射方向之间的夹

8、角，20，3，光电过程可表示为M h M e (2-5) M原子或分子；m离子；e自由电子。物质在光照射下释放电子的现象也称为(外部)光电效应。光电子产额和入射光子能量之间的关系称为物质的光电子光谱。21，各种特征光谱的基础第二节，1。原子光谱2。分子光谱3。光电子光谱4。俄歇电子光谱5。核磁共振，22。1.原子光谱、原子吸收光谱、原子发射光谱、原子荧光光谱、x光荧光光谱、穆斯堡尔谱，基于自由(气态)原子的外电子跃迁，通常为23，1。能级图中谱线的表示和光谱选择规律，以及钠的原子能级图，生动地展示了原子光谱与原子结构的关系。能量和水平水平水平线能级(谱项)的永久基态能量为零，能级之间的距离随着

9、主量子数N值的增加自下而上逐渐减小。对应于角量子数L的每个光谱项的不同值可以被分成若干列(垂直行)，对应于L=0，1，0两个光谱项代表一条谱线，它是能级图中两个能级之间的连线。例如，Na 5889.9表示为：32S1/232P3/2 Na 5895.9表示为：32S1/232P1/2、两个能级之间不会发生任何跃迁，从而产生谱线。否则，转换无法发生，并且转换被禁止。(1)主量子数变化n=0或任何正整数；(2)总角量子数L=1的变化；(3)内部量子数J=0，1的变化(但j=0，J0的跃迁被禁止)；(4)总自旋量子数S=0的变化。例如：Na 5889.9，32s1/232p3/2n=3-3=0，l=

10、1-0=1，j=3/2-1/2=1，s=1/2-1/2=0na5895.9，32s1/232 31S031D2 n=3-3=0，L=2-0=2，J=2-0=2，S=0-0=0，光学禁止，25，共振线，共振线：产生的谱线主共振线(第一共振线):电子在基态和最低激发态之间跃迁产生的谱线。原子吸收光谱中的共振吸收线：电子吸收辐射光子后从基态到激发态跃迁产生的吸收线。主共振吸收线：电子吸收辐射光子后从基态到最低激发态跃迁产生的共振吸收线。原子发射光谱中的共振发射线：由电子从任何激发态跃迁到基态产生的谱线。主共振发射谱线：电子从最低激发态跃迁到基态时产生的共振发射谱线。传统上，共振线仅指主共振线。26，

11、基态，第一激发态，第二激发态，第三激发态，共振吸收线，主共振吸收线，吸收高压，发射高压，共振发射线，主共振发射线由于原子从基态到最低激发态的跃迁最容易发生，主共振线通常是敏感线。然而，对于某些具有复杂谱线的元素，如铁、钴、镍等。由于谱线之间的干涉，主共振线的灵敏度降低。28、原子线和离子线，离子也能产生吸收和发射光谱。一般来说，原子产生的谱线称为原子谱线，离子产生的谱线称为离子谱线。在光谱分析中，罗马字母一、二、三等。通常添加在元素符号之后，分别标记中性原子、一次离子和二次离子的谱线。29，多谱线和光谱精细结构，一个光谱项nMLJ可以产生m个分裂能级(光谱分支)具有稍微不同的能量。在原子光谱中

12、，如果同一光谱项的每一个分支都参与辐射跃迁，就会得到一组波长相似的谱线，称为多谱线。例如，钠的32PJ光谱项有两个光谱分支32P1/2和32p 3/2；从32S1/232P1的辐射跃迁获得的多条谱线由两条谱线组成：32S1/232P1/2(波长5895.9)和32S1/232P3/2(波长5889.9)。在光谱分析中，由光谱项的多重分裂引起的波长差很小的多线系统称为原子光谱的精细结构。原子光谱分析主要使用精细结构谱线，而主要使用共振谱线。30，塞曼效应，当有外磁场时，光谱分支将进一步分成几个能量差较小的能级，这可以称为塞曼能级。当同一光谱分支的每个塞曼能级参与辐射跃迁时，谱线将进一步分裂成几条

13、波长差较小(约10-310-2纳米)的谱线。这种现象被称为塞曼效应。除了遵守上述光谱选择定律之外，所选原子的每个光谱分支的塞曼能级之间的跃迁还必须满足总磁量子数MJ=0或1的条件(但是当MJ=0时，MJ=0的跃迁通常被禁止)。可以分辨出高分辨率的光谱仪。31.原子荧光光谱可分为共振荧光：f=非共振荧光：fa斯托克斯荧光：fa反斯托克斯荧光：fa、外电子被辐射激发后从基态到高能级，直接辐射跃迁返回到基态发射的荧光。被激发的高级电子返回到在特定波长(a)的电磁辐射(单色光)的激发下，气态原子的外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，并跳回到基态，在短时间内(约10-8s)发出辐射，这称为原子荧光。(光

14、致发光现象)、直跳荧光、阶跃荧光、热辅助直跳荧光、热辅助阶跃荧光。被激发到高能级的电子首先发生辐射跃迁到比基态高的低能级并发射荧光，然后通过非辐射跃迁回到基态。被激发到高能级的电子首先使辐射跃迁到比基态高的低能级，然后使辐射跃迁到基态发射荧光。电子被光激发到热激发的高水平(称为热辅助激发)，然后通过高水平辐射跃迁回到基态或发射低水平荧光。32，原子荧光类型及其产生机理示意图，A光激发F辐射跃迁产生荧光，33，2，分子光谱，分子光谱：分子能级跃迁产生的光谱。材料分析中使用的分子光谱包括：分子吸收光谱、分子发射光谱、分子荧光、磷光光谱、紫外、可见和近红外(吸收)光谱、红外(吸收)光谱、远红外光谱、

15、近红外光谱、涉及的能级跃迁类型有哪些？中红外光谱，34，1。紫外-可见吸收光谱，紫外-可见光谱(电子光谱):在紫外和可见辐射的作用下，分子外层电子在电子能级之间跃迁产生的吸收光谱。电子能级的跃迁伴随着振动能级和旋转能级的跃迁。因此，紫外和可见光谱包含振动能级和旋转能级跃迁产生的谱线。也就是说，分子的紫外和可见光谱是由吸收带组成的带状光谱，这些吸收带具有非常接近甚至重叠的谱线。分析：电子光谱和电子能谱，为什么紫外-可见吸收光谱是一个带谱？35，2。红外吸收光谱：在红外辐射作用下，分子振动能级(和/或旋转能级)跃迁产生的吸收光谱。因为振动能级的跃迁伴随着分子转动能级的跃迁，所以通常所说的红外光谱(中红外光谱)也称为振动-转动光谱。它也是由吸收带组成的谱带。纯旋转光谱在远红外区和微波区是线性光谱。红外光谱选择规则(红外光谱选择规则):红外辐射与物质的相互作用产生红外吸收光谱，红外吸收光谱必然有分子偶极矩的变化。只有具有偶极矩变化的分子振动才能产生可观测的红外吸收光谱带，这种光谱带称为红外活性，否则称为非红外活性。36，偶极矩()测量化学键(分子)具有极性和极性的物理量，其方向从正中心指向负中心，其大小()是