《光譜學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)》PPT課件

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1、第一章光譜學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)光1、光是一種電磁波(橫波)單色波的波函數(shù)光與物質(zhì)的相互作用主要是電場E的作用光具有能量,也具有動(dòng)量1905年愛因斯坦大膽地提出了光量子的概念2、光的粒子性—光子波矢光子的自旋量子數(shù)為整數(shù),。它在特殊方向上的投影用量子數(shù)表示,它們對應(yīng)于線偏振光、左旋和右旋偏振光。光子的自旋量子數(shù)為整數(shù)1,是玻色子,因此允許許多光子數(shù)處于同一狀態(tài),或稱處于同一模式。光子具有角動(dòng)量,在光與物質(zhì)相互作用時(shí)要遵守角動(dòng)量守恒定律。當(dāng)用偏振光與原子或分子相互作用時(shí),要用相應(yīng)的選擇定則去分析光的相干性,是指在不同空間點(diǎn)上和不同時(shí)刻的光波電場之間的相關(guān)性2、光的相

2、干性如果相位差在足夠長的觀察時(shí)間內(nèi)維持不變,則光強(qiáng)可以寫成兩束光相干如果在觀察時(shí)間內(nèi)隨機(jī)變化,則因子,兩束光非相干時(shí)間相干性:指在同一空間點(diǎn)上,兩個(gè)不同時(shí)刻的光場之間的相干性。時(shí)間相干性常用相干時(shí)間來描述。處在相干時(shí)間間隔內(nèi)的光場是相干的。在相干時(shí)間內(nèi)光波傳播的距離稱為相干長度空間相干性:指在同一時(shí)刻,兩個(gè)不同空間點(diǎn)上光場之間的相干性。第二節(jié)光在介質(zhì)中的傳播1、原子輻射的經(jīng)典解釋將原子看成為一個(gè)外層價(jià)電子繞原子實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的系統(tǒng),原子實(shí)的質(zhì)量很大,可將電子的轉(zhuǎn)動(dòng)看作為繞固定中心的振動(dòng)。不考慮阻尼,電子的運(yùn)動(dòng)方程:事實(shí)上,電子─原子實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)電偶極子,為電偶極矩

3、。振動(dòng)電偶極子輻射阻尼。輻射阻尼力:考慮阻尼力:小阻尼:阻尼系數(shù)場強(qiáng)E與x成正比,輻射場強(qiáng)衰減,輻射功率也是衰減的,2、原子系統(tǒng)的吸收與色散外加光場對原子的作用:原子將作受迫振蕩。設(shè)光場:電子運(yùn)動(dòng)方程:其解:穩(wěn)態(tài)解瞬態(tài)解振子與外光場相位差時(shí),振動(dòng)幅度最大,共振。遠(yuǎn)離時(shí),振幅很小,但這是一個(gè)穩(wěn)定的振幅極化與色散當(dāng)光波通過一種介質(zhì)時(shí),會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。誘導(dǎo)極化強(qiáng)度P與電場強(qiáng)度E成正比:極化率介質(zhì)介電常數(shù):折射率:色散吸收反常色散區(qū)是吸收極大區(qū)第三節(jié)能級躍遷1、原子數(shù)的布居處在熱平衡狀態(tài)的原子體系,原子數(shù)按能級的分布服從玻耳茲曼分布。高能級m和低能級n上的原子數(shù)之比

4、為√較高能級m上的原子數(shù)總是小于較低能級n上的原子數(shù)?!倘绻鹠和n能量間隔很大,激發(fā)態(tài)m上的布居可以少到可以忽略2、光與原子、分子作用的三種過程⑴吸收當(dāng)外界輻射場頻率和相應(yīng)的躍遷能間距相等時(shí)處于低能級的原子會(huì)吸收外界輻射場的一個(gè)光子而從低能級躍遷到高能級吸收躍遷幾率愛因斯坦吸收系數(shù)(2)自發(fā)發(fā)射處于激發(fā)態(tài)的原子在沒有外界的影響下,以輻射的方式返回基態(tài)的過程能級2的平均自發(fā)發(fā)射壽命:(3)受激發(fā)射在外界輻射場的激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)射過程?!贪l(fā)射光與激發(fā)光具有相同的頻率、位相、偏振和傳播方向受激發(fā)射幾率:愛因斯坦受激發(fā)射系數(shù)(4)愛因斯坦系數(shù)間的關(guān)系第四節(jié)光譜光波段1

5、、光波段2、光譜的分類√按產(chǎn)生機(jī)制:發(fā)射譜,吸收譜√按譜線特征:分立譜,連續(xù)譜分立譜-線狀譜:某些頻率上光強(qiáng)極大連續(xù)譜:一段光譜區(qū)上光強(qiáng)連續(xù)過渡無法分離。熱輻射、原子光致電離、等離子中電子韌致輻射,電子與離子復(fù)合會(huì)產(chǎn)生連續(xù)光譜√分子是由原子組成,依靠原子間的相互作用力形成化學(xué)鍵,把原子結(jié)合在一起。3、分子光譜的特征√分子內(nèi)部存在著下列三種運(yùn)動(dòng):(1)價(jià)電子在鍵連著的原子間運(yùn)動(dòng);(2)各原子間的相對運(yùn)動(dòng)-振動(dòng);(3)分子作為一個(gè)整體的轉(zhuǎn)動(dòng)?!藼-O近似:電子光譜:躍遷發(fā)生在不同電子態(tài)間,紫外與可見區(qū)域,振動(dòng)光譜:躍遷發(fā)生在同一電子態(tài)內(nèi)不同振動(dòng)能級間,近紅外區(qū)域

6、轉(zhuǎn)動(dòng)光譜:同一電子態(tài)和振動(dòng)態(tài)的不同轉(zhuǎn)動(dòng)能級間躍遷遠(yuǎn)紅外至微波區(qū)域(4)多原子分子光物理過程第五節(jié)譜線寬度與線型實(shí)驗(yàn)測得的譜線都有寬度,而不是一條“線”譜線強(qiáng)度下降到一半時(shí)相應(yīng)的兩個(gè)頻率之間的間隔。稱半寬度,簡稱線寬,用FWHM(Fullwidthathalfmaximumintensity)表示。1、自然線寬電偶極子振蕩發(fā)射電磁波而自身能量耗散。光強(qiáng):頻率分布函數(shù)自然線寬:由輻射阻尼定義并轉(zhuǎn)換為波長,一般的光譜方法很難法測量出如此小的頻率分布2、多普勒展寬由于發(fā)光原子相對于觀察者(檢測器)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的一種光波頻移現(xiàn)象??紤]光子沿z方向傳播,為正時(shí),即當(dāng)發(fā)光原

7、子相對探測器飛來時(shí),則光波頻率高于中心頻率。熱平衡下氣體分子的速度分布服從麥克斯韋分布,Doppler展寬的光譜線的強(qiáng)度為高斯線型,也稱Doppler線型函數(shù)線寬:遠(yuǎn)比自然線寬大3、碰撞加寬由于原子間相互作用而導(dǎo)致譜線展寬,譜線輪廓基本上是洛侖茲型的線寬:為單位體積中的原子數(shù)對氣相實(shí)驗(yàn),要求降低溫度和氣壓。

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