光与物质的相互作用ppt课件.ppt

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1、第10章 光与物质的相互作用,普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947),1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常数h。量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。,普朗克是德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，被尊称为

2、 “量子之父” 1918年诺贝尔物理学奖金的获得者。他的伟大成就，就是创立了量子理论，这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。,1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。,10.1 光的波粒二象性,一、普朗克量子假设, = h,构成物体的分子、原子可视为在各自平衡位置附近振动的带电线性谐振子，这些振子既可以发射辐射能，也可以吸收辐射能。,谐振子发射和吸收辐射能量是某些分立状态，是最小能量单位

3、h的整数倍，即 发射或吸收电磁辐射只能以量子方式进行，每个能量子能量为,其中h 是普朗克常量， 为谐振子的振动频率。,讨论：,一个频率为 的谐振子的最小能量是h ，它与周围的辐射场交换能量时，也只能整个地吸收或放出一个能量子 。,“量子”的概念,量子（化）：微观世界的一个特殊概念，按某种规律取分立值的物理量。,如：电荷量子（化）,能量量子（化）,普朗克公式：,普朗克的量子假设：,能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的！,普朗克公式：,能量,经典,光量子,突破了经典物理学的能量连续的观念，在物理学史上第一次提出了微观粒子能量量子化的概念，这对量子物理学的诞生起了极大的推动作用。,例：,设有一

4、音叉，其尖端的质量为0.050kg，其频率被调到480Hz，振幅1.0mm。试求音叉尖端振动的量子数。,解：,由谐振子的能量公式知，谐振子的能量为,代入已知条件：,根据普朗克量子假设： ，音叉尖端的振动量子数为,讨论：,宏观物体振动的量子数是非常大的，与很小的能量子相比，宏观物体的能量可以认为是连续分布的。,二、爱因斯坦光量子学说,光电效应,当光照到某些金属的表面时，金属内部的自由电子会逸出金属表面，这种光致电子发射现象称为光电效应。（1887年德国物理学家赫兹首先发现光电发射现象，1888年又被俄国物理学家斯托列托夫用实验证明。）,实验装置：,光通过石英窗口照射阴极K，光电子从阴极表面逸出。

5、光电子在电场加速下向阳极A运动，形成光电流。,I1,I2,I3,Ua,U,i,I1I2I3,0,遏止电压与频率关系曲线,试验规律：,遏止电势差：与入射光频率具有线性关系。,截止频率：对某一种金属只有当入射光频率大于某一频率 时，电子才能从金属表面逸出（红限）。,和 成线性关系,遏止电压与频率关系曲线,光电效应瞬时性：,迟滞时间不超过 10-9 秒,经典理论与实验规律的矛盾：,无论何种频率的光，只要其强度足够大，电子就能获得足够的能量，从金属表面逸出；,电子的动能取决于光的动能，而与频率无关；,在光强很小时，即使光的频率大于截止频率，也不应有电子发射 。,爱因斯坦光量子学说（1905年）：,光束

6、可以看成由微粒（光子）构成的粒子流（光量子），在真空中以 运动，频率为 的光子能量为 。,爱因斯坦光电效应方程：,式中为逸出功， 为电子从表面上逸出时初动能。,讨论：,光频率 A/h 时，电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出,光电子最大初动能和光频率 成线性关系。,单位时间到达单位垂直面积的光子数为N，则光强 I = Nh 。 I 越强 , 到阴极的光子越多, 则逸出的光电子越多。,电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。,三、光的波粒二象性,光具有波动性和粒子性两个侧面，是微观粒子的基本属性，在某些情况下突出显示某一个侧面。,作为粒子：,有 和能量,由相对论知,对于光 ，则有或

7、,作为波：,两者关系为：,光子的波动性和粒子性是光子本性在不同条件下表现出来的两个侧面：波动性突出呈现在其传播过程中，粒子性突出呈现在其与物质的相互作用中。,光的波动性和粒子性随频率范围的不同而有不同的表现：在低频或长波区，光的波动性比较显著；而在高频或短波区，粒子性却比较突出。,要对波粒二象性进行完善描述，必须采用量子力学方法（波函数）。,普朗克常量把光的波动性和粒子性 联系起来了。,例：,计算波长为600nm的红光与波长为0.1nm的X光的光子能量。,解：,红光光子能量为：,X光光子能量为,10.2 光的发射 激光原理,一、发光的物理机制 发射光谱,光源 发射光波的物体。如太阳、蜡烛等。光

8、源发出的光是其中大量的分子或原子的运动状态发生变化时所辐射出的电磁波。,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。,E,n = 1,n = 2,n = 3,n = 4,n = 5,n = 6,n=1,n=3,n=2,n=,原子的不同能态用一个个分立的能级表示,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,波列长 L = c,每一个辐射光子称作一个波列,每个波列持续时间约1

9、0-8s,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分子发光的总效果。,相互独立的波列,.,.,非相干（同一原子先后发出的光）,非相干（不同原子发出的光）,注：,发射光谱,原子发射光谱,铁和其他元素的原子发射光谱图（上为铁谱，下为其他元素光谱）,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,分子光谱,分子能级结构非常复杂,分子的能量,能级间隔满足,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。,二、发光过程的类型,按照激发方式分类

10、,热辐射 太阳、白炽灯等,电致发光 闪电、霓虹灯以及半导体、PN结的发光过程等,光致发光 日光灯、荧光、磷光等,化学发光 燃烧发光、生物发光等,白天和夜晚分别拍摄的发光真菌,按照辐射方式分类,自发辐射,自发辐射所发出的光没有相干性,能级的平均寿命（ ）,原子在某一能级停留的平均时间,处于高能级的原子中，在单位时间内从高能级E2自发跃迁到低能级E1的原子数比率A21，称为原子自发跃迁的概率，它与高能级E2的平均寿命之间存在如下关系,受激辐射,受激吸收,受激辐射,这两个光子再引起其它原子产生受激辐射，就会得到更多的相同特征的光子，这个现象称为光放大光放大。,普通光源,激光光源,区别,三、激光原理,

11、受激辐射光放大简称为激光。,粒子数反转,在温度为 T 的平衡态下，原子中的电子处于高、低两个能级上的数目之比为,讨论,正常分布：N1N2。光吸收比光辐射占优势。,粒子数反转：N2N1。光通过物质得到光放大。,粒子数反转必须具备的条件：,能量的供应过程激励（光泵浦）,工作物质内必须存在亚稳态能级,亚稳态不如基态稳定，但比激发态稳定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有亚稳态，可实现粒子数反转。,亚稳态E2,基态E1,激发态E3,三能级系统示意图,E1与E2之间产生以受激辐射为主的跃迁,激励,无辐射跃迁,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,全

12、反射镜M1,部分反射镜M2,激光,工作物质,作用,选择激光的方向,选择激光的频率,激励能源,He-Ne激光器的工作原理,激光器的基本构成及激光的形成,具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔,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。,反射镜,反射镜,阳极,阴极,布儒斯特窗,毛细管,工作物质：氦气,辅助物质：氖气,激励方式：直流气体放电,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，

13、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。,四、激光的特性与应用,特性,方向性强,强度高,单色性好,相干性好,应用,可用于精密加工，医学，核聚变等。,激光加工 6KW CO2 激光加工机在进行金属表面涂敷合金粉末的作业,核聚变实验的六路真空靶室,实验中采用大功率(1014KW)钕玻璃激光器,C.H.Townes,A.M.Prokhorov,N.G.Basov,汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。

14、以上工作导致了激光器的发明。,The Nobel Prize in Physics 1964,10.3 光的吸收 吸收光谱,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),(光能转换成其它形式的能量),（光能减弱）,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,一、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

15、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。,如果不把光局限于可见光范围以内，可以说一切物质都具有一般吸收和选择吸收两种特性。,选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因。,二、朗伯定律 比尔定律,I,I-dI,称为吸收系数，“”号表示随 x 增加 I 减小。,将上式积分：,朗伯定律,（朗伯定律的数学形式）,引入透光率 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

16、光强变化相当大的场合。,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）,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、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。,考虑 loge1/2.303 ，,令 ， ，上式被简化为,式中，D 称为吸光度， 称为消

17、光系数 。这种方法称为分光光度分析或比色分析。,M,M1,S,平面镜,凸透镜,样品池,光电管,M3,棱镜,分光光度计光路图,三、吸收光谱,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,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。,

18、每种元素都有其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。,四、植物对光的吸收,植物对光的吸收主要靠色素系统来实现，这些色素对300750nm的可见光有不同的吸收率。,植物的光吸收曲线,叶绿素、胡萝卜素的吸收光谱,一、光散射的基本规律,10.4 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。,从分子理论来看，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

19、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。,二、光散射的基本类型,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，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

20、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。,三、瑞利散射与喇曼散射,瑞利散射,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 。,喇曼散射,1928年，印度科学家喇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，这种散射光的频率为,这种散射光的波长不

21、同于入射光的波长的散射现象称喇曼散射，相应的光谱称为喇曼光谱。,应用：,研究分子结构、化学成分的一种主要方法。,激光的出现，使喇曼光谱技术获得了新生，从而得以迅速发展。,喇曼在喇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。,四、散射现象的量子解释,在散射过程中，入射光子与介质分子发生弹性碰撞，分子吸收并且立即发射光子，大多数分子在这过程中仍回到原来能级，光子能量不变，散射光的频率与入射光的频率相同，这就是瑞利散射。,在喇曼散射中，光子与分子之间是非弹性碰撞。有些分子吸收光子的一部分能量，回到较高的振动能级，散射光子减少了能量，增加了波长

22、(减少了频率)，这就形成喇曼散射的红伴线。有一些分子原先处于较高的振动能级，给予光子一部分能量后回到较低能级，散射光子增加了能量，减少波长(增加频率)这就形成喇曼散射的紫伴线。由于光子失去或获得的能量等于分子振动能级差，所以入射光子与散射光子的频率差正好等于分子的振动频率。,一、色散率,10.5 光的色散,光在物质中传播时，其速度将比真空中小，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,棱镜折射率与顶角 和最小偏向角 关系,测得不同

23、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）。,二、正常色散,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；,不同物质的色散曲线没有简单的相似关系。,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

24、加而减小，与实验测得的正常色散曲线相符。,三、反常色散,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。,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

25、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。,一、热效应,10.6 激光的生物学效应,激光生物效应一般是指激光作用于生物体可能产生的物理、化学或生物学的反应 。,实现的两种途径：,碰撞,吸收,热效应的强弱既取决于激光的强度、照射面积和照射时间，也取决于生物组织的吸光率、比热、热导率等物理参数。,二、光化学效应,光化学效应是指在光的作用下产生的生物化学反应。光能可提高某些生物化学反应的速率。,光化学反应的两个阶段：,原初光化学反应,继发光化学反应,光合作用、

26、光敏化作用、视觉作用等都是典型的光化学反应。,三、机械效应,当生物组织吸收激光能量时，如果能量密度超过某一确定阑值时，就会产生汽化并伴有机械波，若能量密度低于该阈值，就只产生机构波，这就是所谓的机械效应。,光不仅具有波动性，还具有粒子性，即光子有质量有动量，因而光子撞击(照射)物体时必然会给受照处施以压力，称为光压 。,激光是高强度光源，它对生物体可产生一次压力和二次压力，辐射压强为一次压力，热膨胀压强、声波和蒸发压强、电致伸缩压强等为二次压力。,四、电磁场效应,激光作用于生物组织引起生物组织变化称之为激光生物电磁场效应。,电磁场作用于生物组织时起作用的只是电场。激光的电场强度与激光的功率密度

27、有关。,三种类型：,喇曼散射,受激喇曼散射,受激布里渊散射,五、刺激效应,当激光照射生物组织时，如果强度不是很高，就不会对生物组织直接造成不可逆性的损伤，而只是产生某种刺激作用，这与超声波、针刺、艾炙及热辐射等因子所产生的效应相类似，称为激光生物刺激效应。,刺激效应是低功率激光作用的结果，无法用前述的作用来解释。,一般把产生生物刺激效应的激光称为“弱激光”。,当用弱激光照射生物机体时，激光本身只是一种刺激源。生物机体对这种刺激的应答反应可能是兴奋，也可能是抑制 。,总结：,据机理划分：,热效应,非热效应,通过发热与生物体发生作用,通过光压、电磁、光化学等方式与生物体发生作用,据强度划分：,强光

28、生物学效应,弱光生物学效应,生物材料一般会发生汽化、蒸发、热凝、热杀、切断等变化,生物组织一般不会出现大的损伤，仅可能在遗传、代谢等方面出现变化,10.7 激光在现代农业与生物科学中的应用,一、激光检测技术,物理基础,低强度激光照射生命物质后，被吸收、反射或产生荧光辐射，这对生命物质的作用不是很大。但这种吸收、反射或荧光辐射与生物物质的组成，结构和状态有关，因而带有大量与生命物质特性有关的信息。对其进行分析就可以了解被辐射生命物质结构、组成状态。,激光荧光光谱技术,利用元素的特征荧光光谱进行化合物中的痕量成分分析，在激光出现前就已是行之有效的经典方法之一 。,应用：,测定生物大分子的基本参数,

29、检测生物体内的痕量元素，灵敏度一般在10-810-10g,正常状态下的动植物组织与处于病态的组织吸收同一激光后产生不同的荧光光谱，所以用荧光分析技术，诊断动物的疾病及植物的病虫害,不同营养状况的植物的荧光光谱也有区别，所以可用激光荧光光谱分析技术诊断植物的营养状况，以便合理施肥,激光喇曼光谱技术,喇曼光谱反映了生物大分子的振动和转动模式。分子的振动模式不但能提供分子的组分信息，而且还能帮助人们研究生物大分子的结构。,激光光声光谱技术,激光光声光谱技术是20实际70年代才发展起来的一门新型技术。用它进行物质的定性、定量及化学变化中成分变化的分析时，灵敏度比一般吸收光谱方法高出几个数量级。,二、激

30、光微束技术 光钳技术,激光微束技术是将高密度的激光聚集成很细的微束，用于破坏、切割特定的生物组织。,光钳技术是借助一种称为“光学镊子”的操作工具，利用其聚焦激光束和物质的作用，即光子和物质中粒子的作用，使光子将动量传递给被作用的粒子，对它产生一辐射压，即可“抓住”或“操作”微小的粒子。利用这一手段，能成功地对尺寸为10nm10m的粒子进行捕捉、定位和操作。,激光微束技术和光钳技术主要应用于细胞工程和基因工程两个方面 。,外源基因注入,细胞融合,激光微外科手术,三、激光遗传育种,技术优势：,激光对其它辐射损伤有复活作用等,成活率高，与射线育种相比较，成活率高一倍左右,第一代能发现遗传性变异,无明显半死剂量,突变类型多，有株形突变、粒形突变、品质突变以及生育期突变等,四、激光在畜牧兽医上的应用,激光照射某些动物外周神经，通过感觉神经纤维传输至中枢神经后，可呈现全身性镇痛作用，且对心脏功能无不良影响。,激光照射不育奶牛卵巢部位，其刺激作用可改善奶牛生殖激素失调现象，治愈奶牛的不育症,内蒙古农牧学院等的学者用激光处理鸡卵等提高了禽卵的孵化率，他们还在鸡的良种培育方面作了大量的工作。,注意,由于激光与生命物质相互作用的机理等问题还未研究清楚，所以在使用之前，必须作大量的实验，找出最佳条件，即最佳激光波长、处理时间、激光的功率等。,