《第2章光谱原理.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章光谱原理.ppt（33页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第2章 光谱原理,2.1 原子结构2.2 分子结构2.3 光与物质相互作用2.4 光谱线轮廓与线宽,2.3 光与物质相互作用,2.3.1 光的波粒二象性2.3.2 光的发射2.3.3 光的吸收2.3.4 跃迁定律2.3.5 光的散射,2.3.1 光的波粒二象性,光具有波动性和粒子性，在特定情况下会凸显某一方面的性质。,1、波动性：光的衍射,2、粒子性：光的反射,光量子假说的发展,“在已经基本建成的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”,1900年,“在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，-”,黑体辐射实验,迈克尔逊-莫雷实验,后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成
2、为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。,量子力学,相对论,例子一：黑体辐射实验普朗克量子假说,经典理论无法解释黑体辐射实验！,普朗克量子假说,分子或原子为谐振子，可吸收或发射能量 吸收或发射的能量分立，且为h的整数倍 热平衡条件下，吸收和发射服从波尔兹曼分布，,频率的平均能量,单位体积内频率+d的模数量,普朗克量子假说（Cont.）,频率+d的能量,频率的辐出度,普朗克公式（黑体辐射公式）,普朗克公式与瑞利-琼斯公式和维恩公式的关系？,1.普朗克公式,2.维恩公式,3.瑞利-琼斯公式,例子二：光电效应爱因斯坦光量子假说,实验现象：光照射到金属表面，金属会发射出电子,与经典相悖
3、的实验结果,(1)截至频率：入射光频率大于它才有电子逸出 只要光强足够大就会有电子逸出（）(2)遏制电动势：随入射光频率增大而增大 电子发射速度取决于光强（）(3)瞬时性：迟滞时间不超过10-9秒 光要照射一段时间后才会发射电子（）,爱因斯坦光量子假说,光束是由光子构成的粒子流 它在真空中以光速c传播 频率为v的光子具有能量为hv,对光电效应的解释 当W/h时，电子吸收一个光子可以克服逸出功逸出 电子的初动能随频率增加而增大，而Uq=1/2mvm2 电子吸收一个光子就可以逸出，不需要长时间的能量积累 光强I=Nh越强，光子数就越多，则逸出的电子越多,光的波动性与粒子性的联系,粒子光子质量 m=
4、0运动速度 v=c动量 p=E/c,波光波频率波长=c/,量子假说E=hp=h/,1.高频或短波长2.与物质相互作用,1.低频或长波长2.传播过程中,2.3.2 光的发射,微观粒子从高能级跃迁到低能级，将发射出光子，,包括自发辐射和受激辐射两种类型 自发辐射：处于高能级的粒子在没有外来光的影响下，自发跃迁到低能级而发出光子的过程，一般为非相干光 受激辐射：处于高能级的粒子在外来光的影响下，跃迁到低能级，辐射一个和外来光特性完全相同的光子，一般为相干光，激光形成原理,E2,n2,E1,n1,A21：自发跃迁几率，自发辐射爱因斯坦系数，与辐射场无关，与原子在能级2上的平均寿命成反比。,自发辐射,E
5、2,n2,E1,n1,W21：受激辐射跃迁几率，与辐射场相关B21：受激辐射爱因斯坦系数,受激辐射,受激辐射的应用激光,Laser Light amplified by stimulated emission of radiation 两个基本条件：粒子数反转和谐振腔 粒子数反转的实现：泵浦源，将粒子从低能级输送到高能级 工作物质存在亚稳态,受激辐射的应用激光（Cont.）,谐振腔：使某一方向、某一频率的辐射不断加强。,2.3.3 光的吸收,微观粒子从低能级跃迁到高能级，将吸收一定频率的光子，,包括一般吸收和选择性吸收 一般吸收，吸收强度与波长无关，比如：白光被物体吸收后透射光仍是白光 选择性
6、吸收，吸收强度与波长相关，某些波段吸收特强,选择性吸收在光谱中更有用,光吸收的能级理论解释,E2,n2,E1,n1,W12：受激吸收跃迁几率，与辐射场相关B12：受激吸收爱因斯坦系数,光吸收的经典解释,1.光源：振荡的电磁场,2.粒子：谐振子,3.光与物质相互作用：外力作用于谐振子,显然=0时，振幅最大，即入射光频率等于能级间能量差时才能有效被吸收！,补充：爱因斯坦系数关系,1.稳定场中总发射等于总吸收,2.由玻尔兹曼定律，粒子数关系,3.辐射场的能量密度,4.容易得到,2.3.4 跃迁定律,不是任意两个能级之间的跃迁都是允许的！跃迁率，衡量从一个能级跃迁到另外一个能级的概率，在一定程度上反映
7、了吸收或发射强度的高低 粒子电偶极子，单位时间朝外辐射的平均能量为，,（电偶极距）,从能级if的跃迁率用单位时间发射的光子数表示，,跃迁定律：只有引起电偶极距变化的跃迁才是允许的,跃迁定律应用举例,在原子能级跃迁中(不考虑自旋)，电偶极距为，,x项,y项,z项,考虑r积分项：,只要n和n为整数，l和l为整数，对r积分不为0,考虑积分项：,只有在l和l相差1时，即l-l=1时，上述两个对的积分项中会有一项不为0,考虑积分项：,在ml=ml 时，z方向的积分不为0 在ml-ml=1时，xy平面上的积分不为0,综上，量子数满足如下关系的原子能级跃迁是允许的，,2.3.5 光的散射,光在介质中传播时，
8、部分光线偏离原来传播方向 按散射颗粒大小，米氏散射，大，散射强度不随波长显著变化 瑞利散射，小，散射强度与波长4次方成反比,米氏散射和瑞利散射均为弹性散射，不产生新的波长！,弹性散射与非弹性散射,弹性散射，光子能量不变，瑞利散射 非弹性散射，部分光子能量会改变，拉曼散射,拉曼散射(1)1928年，印度科学家Raman VC首先发现(2)在瑞利散射频率两侧有新的频率的散射线(3)强度非常弱，在激光出现后才得到迅速发展(4)散射线中，斯托克斯线(低于入射光频率)比反斯托克斯线(高于入射光频率)强,拉曼散射的能级理论解释,基态,激发态,虚态,斯托克斯线v0-v,瑞利散射v0,反斯托克斯线v0+v,散射线的强度如何解释？,拉曼散射的经典解释,(1)物质粒子受光极化，产生诱导偶极矩P,(2)极化率按简振坐标泰勒展开，并取一阶量,(3)再进行三角函数展开,拉曼散射的经典解释（Cont.）,第一项，瑞利散射 中括号中第一项，反斯托克斯线 中括号中第二项，斯托克斯线 斯托克斯线强度=反斯托克斯线强度！？（非完美解释）,
