光与物质相互作用

1、光和物质相互作用,组员：* * 光科13*,目录,发光的物理研究 光的吸收 光的色散 光的散射 激光原理及其应用举例,1.发光定义、特征,什么是发光？ 发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量，而这种多余能量的发射过程具有一定的持续时间。 发光区别于光的散射、反射等物理过程。 发光的两个主要特征 发出的总辐射中超出热辐射的部分； 当激发源停止对物体的作用后，发光现象还会持续一定的时间。,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cathode luminescence X

2、射线发光及高能粒子发光 化学发光 生物发光 按照辐射方式分类 自发辐射 受激辐射 受激吸收,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，原子具有确定的能量。 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，同时伴随着能量的变化。 电子在不同轨道之间跃变，原子向外释放或吸收能量。,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一定态，会发射或吸收一个光子，频率 辐射频率公式 每一个辐射光子称作一个波列 每个波列持续时间约10-8s 原子或分子的发光过程是彼此独立的、随机的 光源发出的连续光波实际上是大量原子或

3、分子发光的总效果。,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 每种原子有其独特的发射光谱识别不同原子的标志 分子发射光谱 若干光谱带组成的带状光谱 分子能级结构非常复杂 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,当光波在媒质中传播时，由于光波和物质的相互作用，一般呈现两种效应,光的吸收,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,吸收 (absorption)现象,(部分光波沿其它方向传播

4、),(光能转换成其它形式的能量),（光能减弱）,光的吸收,光吸收的类型,一般吸收（ general absorption ） 在给定的波段范围内，若介质对光的吸收很少，而且光吸收量与波长无关。在可见光范围内，一般吸收意味着光通过介质后不改变颜色而只改变强度。 选择吸收（selective absorption ） 在给定的波段范围内，媒质吸收某种波长的光能比较显著。在可见光范围内，选择吸收意味着光通过介质后既改变颜色也改变强度。,光的吸收,朗伯定律 比尔定律,朗伯定律 称为吸收系数，“”号表示随 x 增加 I 减小。 将上式积分：,光的吸收,I,I-dI,光的吸收,（朗伯定律的数学形式）,引入

5、透光率 T 和吸收度 A ，并定义 ，,，上式表示为,实验表明，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。因此，朗伯定律适用于光强变化相当大的场合。,光的吸收,比尔定律,比尔定律是朗伯定律在溶液情形下的应用。,稀溶液的吸收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。,吸收度A与浓度 C 呈线性关系,（比尔定律的数学表达式）,光的吸收,实际测量中观察到吸收度与浓度关系偏离线性的情况，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吸收本领不受它周围邻近分子的影响时才成立。,光的反射、散射、

6、温度、时间、压力等都会对比尔定律产生影响 。,朗伯定律始终成立，但比 尔定律有时不一定成立。,吸收光谱,光的吸收,当一束复色光透过一定厚度的介质时，利用介质对光的吸收作用因波长而异，可产生吸收光谱。,产生连续光谱的光源所发的光，通过具有选择吸收特性的物质后，用光谱仪可以观察到，在连续的发射光谱中，呈现出与发生吸收的波长区域相对应的一些暗线或暗带，这就是吸收光谱。,紫外可见光分光光度计原理图,光的吸收,若用原子化装置代替样品室，就可得到某元素的原子吸收光谱。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，原子便可吸收外来光，产生吸收光谱。,每种元素都有其

7、特征吸收波长和吸收光谱,原子吸收光谱广泛应用于定量分析中,钠原子吸收光谱,对于气体、液体和固体而言，一般在红外区有选择吸收。吸收谱线宽度增大且组成连续谱带，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。,光的吸收,原子吸收光谱的应用,探测太阳的元素构成,太阳光谱是典型的暗线吸收光谱，在其连续光谱的背景上呈现有一条条的暗线，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，对更加炽热的内核发射的连续光谱进行选择吸收的结果。将这些吸收谱线的波长，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。氦元素首先就 是在太

8、阳光谱中发现的。 原子吸收光谱的灵敏度很高， 混合物或化合物中原子含量极 少的变化，都会在光谱中反映 出吸收系数很大的改变。历史 上，曾靠这种方法发现了铯、铷、铊、铟和镓等多种元素。,光的吸收,原子吸收光谱在化学的定量分析中有广泛的应用,带状吸收光谱用来定性鉴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吸收，吸收谱线密集地组成带状，形成带状吸收光谱。 不同的分子有其显著不同 的红外吸收光谱，即使是分子量 相同且其他物理化学性质也基本 相同的同质异构体，它们的红外 吸收光谱也明显不同。,光的色散,光的色散,色散率,光的色散,光在物质中传播时，其速度将比

9、真空中小，而且不同频率的光在同一物质中的传播速度不同。因此，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 nn(),色散率,光的色散,棱镜折射率与顶角 和最小偏向角 关系,测得不同波长的光线通过棱镜的最小偏向角，可以按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,几种材料的色散曲线,曲线特点：,具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

10、曲线没有简单的相似关系。,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,上式表明dn/d 0（常数B始终为正），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相符。,反常色散,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，勒鲁称其为反常色散。,反常色散总是发生在物质的选择吸收带。（孔脱）,氰苷溶液色散的实验曲线,曲线上从M点到N点为选择吸收区域，在此区域

11、内，折射率随着波长的减小而减小，即反常色散 。,在吸收区域外，折射率随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），因此，在可见光区域是正常色散,若向红外区域延伸，在吸收带(图中R点)附近，明显偏离正常色散曲线,过了吸收带重新进入透明波段时，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区域和反常色散区域所构成的。,不论是气体、液体或固体介质，在一定的波长区域内，都会有选择吸收，在这些区域中总是表现出反常色散。,光的散射,光的散射,光束在介质中传播时，部分光线偏离原方向分散传播的现象称为光的散射。,光散射的基本规律,从

12、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，从而发散出相干次波。只要分子密度是均匀的，次波相干迭加的结果，只剩下遵从几何光学规律的沿原方向传播的光线，其余方向的振动完全抵消；若介质是不均匀的，它能够破坏次波的干涉相消，从而引起光的散射。,光的散射,光的散射,光通过介质时，散射会使透射光的强度减弱，当仅考虑散射时，透射光遵从指数衰减规律：,实际上介质对光的吸收和散射同时存在，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。,光散射的基本类型,光的散射,据介质不均匀性质的起因，散射分为两类：,延德尔散射,光通过悬浮质点（或微粒）的散射

13、，如光在胶体、乳浊液以及含有烟、雾、灰尘的大气中的散射。,分子散射,在表面看来十分纯净、均匀的液体和气体中，也能观察到较微弱的散射。这种因介质分子的密度涨落而引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，在光线照射下会的出现强烈散射，亦属分子散射。,瑞利散射,光的散射,瑞利首先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，因此，这类散射又称瑞利散射。,（瑞利散射定律的数学表达式 ）,利用瑞利散射定律可以解释旭日与夕阳的色彩。,地球,正午时的太阳,傍晚时的太阳,散射原理广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释,白昼天空之亮大气散射把阳光从各

14、个方向射向观察者，否则，只看到在漆黑的背景中有一轮光辉夺目的太阳。,天空是蓝色的 照瑞利散射定律，白光中波长较短的蓝、紫色光所受到的散射，要比波长较长的红、黄色光强烈得多。散射光将因短波的富集呈蔚蓝色，而透射光将呈红色。这就是天空呈蔚蓝色，旭日和夕阳呈红色的原因。,雨后天更蓝大气散射（主要）密度涨落引起的分子散射+（其次）悬浮尘埃的散射，前者的尺度比后者小得多，瑞利4反比律的作用更加明显。所以，每当雨过天晴的时候，天空总是蓝得格外美丽。,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，还有一部分散射光的频率与入射光不同，这种

15、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，使拉曼光谱技术获得了新生，从而得以迅速发展。,拉曼在拉曼散射方面卓有成效的研究，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 相干性高,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),受激吸收 （原子的光激发）,受激辐射 （光放大）,自发辐射,吸收后,发光后,发光后,受激辐射不仅实现了光放大，而且产生的是相干光。,激光原理及其应用举

16、例,根据玻尔兹曼分布律,热平衡时具有能量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.,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!,必须采取特殊办法,h,N1 N2 ,吸收为主,N2 N1 , 受激辐射为主,只有N2 N1才能受激比吸收多，光放大,粒子数反转,热平衡时，高能级上原子数目极少, 吸收比受激辐射多,受激辐射、吸收几率与对应原子数成正比,非热平衡,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),三能级系统,四能级系统,实现粒子数反转!,必须采取特殊

17、办法,非热平衡,非热平衡,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,He,21s,23s,亚稳态,Ne,3s,2s,3p,2p,1150nm,632.8nm,3390nm,电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的 He 与 Ne 碰撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态（3s、2s）和激发态（3p、2p）之间形成反转分布。,激光器组成部分,激光原理及其应用举例,光束在谐振腔内来回震荡，在工作物质中的传播使光得以放大，并输出激光。,光学谐振腔,使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置,激光的应用举例,激光原理及其应用举例,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,钢轨激光表面强化,激光原理及其应用举例,激光气化应用,激光照射材料,材料反射与吸收,温度快速升高,材料熔化气化,激光烧蚀,材料去除,激光原理及其应用举例,飞秒激光诱导令石墨转变为金刚石结构,物理评论聚焦2008年22卷8月1日,紫外光固化 快速成型 2010，获得国家科技进步