能級光譜2匯總

1、§5X射線譜1901年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者一倫琴德國人WilhelmC.R?ntgen1845-1923發(fā)現(xiàn)X射線（1895）X射線的發(fā)現(xiàn)，開始了物理學(xué)的新時期;它與接下來兩年宣布的放射性（1896）和電子的發(fā)現(xiàn)（1897）一起，揭開了近代物理的序,X射線發(fā)射譜X射線發(fā)射譜由兩部分組成：連續(xù)譜：波長連續(xù)變化；線狀譜：具有分立波長的線狀譜（重疊在連續(xù)譜上)九:0.1?10?h、1KeV200KeV1.X射線的連續(xù)譜(1)產(chǎn)生：起源于物致輻射(bremsstrahlung)U相對強(qiáng)度圖靶(Z=M)X射線管_TKA-相對強(qiáng)度波長(?)同種靶，不同外加電壓35kV連續(xù)譜10.20.4不同靶,

2、壓0,6O.&1波長(?)固定外加電.電子受阻高速電子yhvaS-at輻射-e（2）特點 連續(xù)譜與對陰極（靶元素）無關(guān)； 輻射強(qiáng)度I化a2垢1/m質(zhì)子等m較大的帶電粒子的物致輻射較I電子的弱得多。 電子打重物質(zhì)億大）輻射強(qiáng)，重離子弱。同方威視：用電子感應(yīng)加速器加速的電子打鴇靶產(chǎn)生高能X、，射線（圖片見后） 連續(xù)譜有一最短波長mmin（只和加速電壓U有關(guān)）he兒.一min-eULCE=eU=hmax=hA一.min原因：電子的動能全部轉(zhuǎn)化為輻射能時,hc1min-eumin的存在是量子論正確性的又一例證。-電視機(jī)：U=920kV,熒光屏上產(chǎn)生X射線，能量不高，強(qiáng)度很弱2.X射線的線狀譜（

3、特征譜，標(biāo)識譜）當(dāng)加速電壓達(dá)一定數(shù)值（稱臨界電壓）后出現(xiàn)特征譜。（1）產(chǎn)生：線狀譜起源于電子內(nèi)層的躍遷（位置由元素決定與電壓U無關(guān)）。E:103eV104eV加速電子與靶元素原子的碰撞將內(nèi)層電子擊出原子，在內(nèi)層產(chǎn)生空穴，外層電子躍入空穴而產(chǎn)生能量較大的光子。(2)特點特征譜和靶元素有關(guān)，反映元素的特征；特征譜分為1906年巴克拉(L.G.Barkla)發(fā)現(xiàn)：任何元素發(fā)出的射線都包含若干線系，按貫穿本領(lǐng)依次稱K、L、M。K系(波長最短的系，重金屬K系&E:103104eV);L系；M系；N系；各系又有若干特征譜線，如：K、Kb、K線La、Lb、L尸線K1KKKV>K系各元素的特征譜

4、有相似的結(jié)構(gòu)（不象可見光譜那樣，不同元素的光譜彼此相差很大）(可見光譜：Li、Ni、K類似；He、Mg、Ca、類似，有周期性)巴克拉(L.G.Barkla)由于發(fā)現(xiàn)和研究X射線的線狀譜獲得1917年諾貝爾物理獎:.莫塞萊（Moseley淀律1913年Moseley測量了Al,Ca,Sc,Ti,Au等3種元素的X射線譜，發(fā)現(xiàn)(Z-1)X射線的線狀譜的(V)1/2和Z成線形關(guān)系這說明X射線的線狀譜與價電子關(guān)系不大，沒有周期性的變化。歷史上是莫塞萊準(zhǔn)確測定Z值，校驗了元素在周期表中的排序例如：原子量Ni58.71Co58.9332莫塞萊發(fā)現(xiàn)Ni的原子序數(shù)大于Co,認(rèn)為ZNi=28;Zco=27三.X

5、射線的應(yīng)用透視衍射CTX射線熒光分析1 .X射線連續(xù)譜的應(yīng)用（醫(yī)學(xué)、工業(yè)上）這是第一張X光照片，拍攝了倫琴夫人的手指骨。倫琴在1895年底宣讀了論新的射線的報告，并公布了這張照片。心臟起搏器的X光照片（假彩色）同方威視集裝箱檢測系統(tǒng)用高能X射線對集裝箱進(jìn)行透視：申報為毛毯，實為小汽車組合系統(tǒng)車載系統(tǒng)2 .X射線特征譜的應(yīng)用粒子激發(fā)X射線熒光分析(PIXEParticleInducedXrayEmission):原理：用P、丫轟擊樣品產(chǎn)生特征X射線，由能量定成份億)、由強(qiáng)度定含量。質(zhì)子熒光分析(PIXEProtonInducedX-rayEmission):特點：(1)靈敏度10-610-7g/

6、克樣品10口g(2)進(jìn)行微區(qū)分析mm“m(3)無損，多元素同時分析，是表面分析適合對珍貴的、大型的和生物的樣品進(jìn)行分析11質(zhì)子熒光分析應(yīng)用舉例越干勾踐劍的分析勾踐劍1965年湖北江陵望山一號墓出土。同時出土的還有輔劍（花紋同、無銘文）。在地下埋藏了大約2500年（春秋戰(zhàn)國時），至今光華四射，鋒利無比。這兩柄劍是我國古劍寶庫中的珍品，舉世聞名。劍長64.1cm,分析面積大，要求精度高，要確保無損。用質(zhì)子熒光分析最合適。用質(zhì)子激妗X射線分析各部分成份SAs微微微5.9微CuSnPbFe劍刃80.318.80.40.4黑花紋73.922.81.41.8劍格41.542.66.13.7-含鐵量比銅礦少

7、，硫化處理一防銹-Cu-Sn-Pb合金一鋒利劍柄硫璃層屬鉀鈣玻璃(2)秦始阜兵馬俑坑中的箭頭CuSnPb表面有Cr,斷面無銘化處理：德1937,美國1950申請專利(3)分析上海長壽老人頭發(fā)，發(fā)現(xiàn)Mn,Fe,Cr,Ti:高，Cu:低§6分子的能級與光譜核-e核:分子的運(yùn)動狀態(tài)分子能量(以雙原子分子為例)1.運(yùn)動狀態(tài)(1)電子運(yùn)動狀態(tài)每個電子在軸對稱的電場中運(yùn)動。(2)兩核的相對振動振動能量是量子化的，存在振動能級。(3)整個分子繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動三種運(yùn)動間還有耦合如：由于分子振動一核間距離變=轉(zhuǎn)動慣量變=轉(zhuǎn)動能量變2.分子能量應(yīng)包括三種運(yùn)動的能量和運(yùn)動間的耦合能量。三種運(yùn)動的能量數(shù)量級相差

8、很大，耦合能量可略，于是E=Ee+Ev+Ej電子能級振動能級轉(zhuǎn)動能級eVeV10-110-2/10-310-4eVT電子-振-轉(zhuǎn)光譜（可見、紫外）T振-轉(zhuǎn)光譜（近紅外、微米波）T純轉(zhuǎn)動譜（遠(yuǎn)紅外、毫米波、厘米波）:.轉(zhuǎn)動能級純轉(zhuǎn)動譜1.轉(zhuǎn)動能級討論：剛性雙原子分子(1)轉(zhuǎn)動慣量22I=miri+m2r2(無振動對轉(zhuǎn)動的影響)-折合質(zhì)量mim2mi+m2(2)轉(zhuǎn)動能量E=(I2)/2=J2/2I,(J=I)角動量量子化J2=J(J+1)h2,J=0,1,2,h2ej=(3)“+1)Ej=BhcJ(J+1)轉(zhuǎn)動能量是量子化的其中如是一重要常數(shù)hc=2h2I,(10-310-4eV)對Hcl分子hc

9、=1.28910-3eV(3)轉(zhuǎn)動能級圖8Bhc3312Bhc6Bhc4Bhc2Bhc20Bhc6Bhc2Bhc210Bhc能級特點：不等間距，J越大=間距越大2.純轉(zhuǎn)動譜只有轉(zhuǎn)動能量變化時產(chǎn)生的光譜。(1)選擇定則：AJ=土1(2)譜線頻率、波數(shù)：發(fā)射譜：由J，(=J+1)TJ能級J=(Ej-EJ)/h=BcJ(J+1)-J(J+1)=2Bc(J+1),J:下能級量子數(shù)J=j/c=2B(J+1)即:2B,4特點：譜線等間距（波數(shù)間隔相等）j=2B純轉(zhuǎn)動譜在遠(yuǎn)紅外和微波區(qū)（在各種分子光譜中，是波長最長的譜）應(yīng)用：由光譜純轉(zhuǎn)動譜是研究分子結(jié)構(gòu)的重要工具例由HCl遠(yuǎn)紅外吸收譜,可算出-1=10.3

10、4cm由J=0T1的譜線=0.4809mm在毫米波段的遠(yuǎn)紅外區(qū)HCl分子的純轉(zhuǎn)動吸收譜（量子物理圖6.2.3HCI分子的純轉(zhuǎn)動吸收諸二版p251圖):.振動能級能曲線如圖,k(r-ro)20r0r在簡諧振動近似下，雙原子分子的振動勢1勢函數(shù)U=2由薛定謂方程可解出(見教材P67)振動能級Ev=(V+2)h0(V=0,1,2,)其中0=21kU特點：振動能級等間距Ev=h0Ev10-110-2eV具有零點能Eo=2h0經(jīng)典力學(xué)中振動能量可以為零；量子力學(xué)中，如在r0處能量為零，則違反不確定關(guān)系。四.分子的振-轉(zhuǎn)光譜振動、轉(zhuǎn)動能量同時變化時產(chǎn)生的光譜1.能級結(jié)構(gòu)E=Ev+EjE=(V+2)h0+B

11、hcJ(J+1)J(J=-1)P支R支(J=1)2.躍遷情況(1)選擇定則發(fā)射譜：V=V+1?J=J+1；J-1V=1,J=1V、J:上能級量子數(shù)（2）躍遷 =(1/h)E-E=(1/h)(Ev+Ej)-(Ev+E川=(1/h)(Ev+1-Ev)+BhcJ(J+1)hcJ(J+1)（見后）0+BcJ(J+1)J(J+1)W：稱基線頻率 r支：j=j+1ej=1)可得=0+2B(J+1)J=0,1,2,（下能級量子數(shù)）特點：譜線波數(shù)間隔 p支：j=j-ieJ=-1)可得=0-2BJJ=1,2,3,（下能級量子數(shù)）特點：-"<"0譜線波數(shù)間隔2HCl的振轉(zhuǎn)光譜（吸收譜）（

12、教材p128）r/10nHz圖3.31HCl的吸收光譜（高峰由于HCl，低峰由于H斯CD或見量子物理（二版）p258圖，圖中基線的波長為3.4關(guān)于r在變二I在變二在變?nèi)鐑烧駝幽芗壪嗖畈贿h(yuǎn)，可認(rèn)為振一轉(zhuǎn)光譜小結(jié)：1 .產(chǎn)生：屬于同一電子能級的一對振動能級間的躍遷（同時轉(zhuǎn)動能量也變化）而產(chǎn)生的。躍遷前后，振動、轉(zhuǎn)動能量都變化，但電子運(yùn)動的能量不變。2 .結(jié)構(gòu)：所有譜線組成譜帶譜線分為兩支（P支、R支）兩支間有基線（有助于識別振轉(zhuǎn)光譜）譜線間隔（波數(shù)間隔）2（基線位置兩側(cè)的譜線間距譜線間隔決定于轉(zhuǎn)動能級3.波長范圍：近紅外,m量級譜線位置決定于振動能級4.應(yīng)用：由振一轉(zhuǎn)光譜二（研究分子結(jié)構(gòu)）*不同的

13、光譜（如純轉(zhuǎn)動譜、振一轉(zhuǎn)光譜）其產(chǎn)生原因不同-譜線結(jié)構(gòu)不同譜線位置不同五.電子-振-轉(zhuǎn)光譜1 .產(chǎn)生：屬于不同電子能級的兩個振動能級間的躍遷（同時轉(zhuǎn)動能量也變化）產(chǎn)生的。譜線組成一個電子-振一轉(zhuǎn)譜帶。躍遷前后電子運(yùn)動能量、振動能量、轉(zhuǎn)動能量都變化2.譜線結(jié)構(gòu)：譜帶分為三支（P、Q、R）RX:-v<v0隨J=v單調(diào)減少譜線間隔不均勻，且Q支:-隨J=v單調(diào)減少-譜線間隔不均勻，且隨J=Q支譜線均離】較近（相對P支而言）旦支-隨J=譜線波數(shù)先增后減，有最大波數(shù)，此譜線稱譜帶頭譜線間隔不均勻電子一振一轉(zhuǎn)譜帶結(jié)構(gòu)(B)譜帶頭一對轉(zhuǎn)動能級間的躍遷產(chǎn)生一條譜線； 一對振動能級間的躍遷（同時轉(zhuǎn)動能量也

14、變化）產(chǎn)生一個譜帶； 一對電子能級間的躍遷（同時振動、轉(zhuǎn)§7量子統(tǒng)計（教材p103,p167）一.微觀粒子的全同性1 .微觀粒子是全同的，不可區(qū)別這顆電子和那顆電子不可區(qū)分；這顆氫原子和那顆氫原子不可區(qū)分2 .波函數(shù)的對稱性 微觀粒子的全同性（identity）導(dǎo)致波函數(shù)有兩種：對稱的和反對稱的。 對于兩粒子系統(tǒng)（一維情形），粒子1出現(xiàn)在x粒子2出現(xiàn)在*2的2概率密度為|(xi,X2)|2粒子1出現(xiàn)在x2、粒子2出現(xiàn)在X1的概率密度為|(X2,Xl)|2由于粒子1、2不可區(qū)分，分不清誰是1、誰是2,所以有|(Xi,X2)|2=|(X2,Xl)|2 于是，波函數(shù)有兩種：w(Xi,X2)

15、=w(X2,Xi)對稱，(Xi,X2)=(X2,Xi)反對稱二.費(fèi)米子和玻色子按照波函數(shù)的對稱性，粒子可分兩類。i.費(fèi)米子(Fermion):波函數(shù)是反對稱的粒s是半整數(shù)的粒實驗證實：自旋量子數(shù)子是費(fèi)米子,例如：e、p、n、子(muon)、中微子(neutrino)>夸克、3He核(s=1/2)、。費(fèi)米子的波函數(shù)具有奇宇稱(oddparity):粒子1、2系統(tǒng)的波函數(shù)(當(dāng)交換兩個粒子時，波函數(shù)變號)(X1,X2)="(X2,Xi)-泡利不相容原理(Pauliexclusionprinciple):不能有兩個全同的費(fèi)米子處于同一個量子態(tài)。1945年諾貝爾物理、學(xué)獎獲得者一泡利奧姿

16、隊WolfgangPauli2.玻色子(Boson):波函數(shù)是對稱的粒子 實驗證實：自旋s是0或整數(shù)的粒子。 例如：”介子(pion)、K、4He(均為s=0)、光子(s=1)、。 玻色子的波函數(shù)具有偶宇稱(evenparity):(xi,X2)=(X2,X1)玻色子不受泡利不相容原理的制約，一個量子態(tài)可容納的玻色子數(shù)目無限(玻色凝聚)O二.量子統(tǒng)計(教材p167)1.費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(Fermi-Diracstatistics) 由量子統(tǒng)計可給出，由費(fèi)米子組成的系統(tǒng),在溫度為T的平衡態(tài)下，一個能量為E的量子態(tài)上存在的平均粒子數(shù)為：1N(E)=(E-)te+1(0K時的)(Fermilevel

17、) 由上，T=0時，若E>Ef(0),貝UN(E)=0若E<Ef(0),則N(E)=1這說明：對費(fèi)米子，T=0時，E>Ef(0)的能級上沒有粒子分布；E<Ef(0)的能級上，每個量子態(tài)有一個粒子，各量子態(tài)均被填滿。 T>0時，室溫：與上情況相近；Ef(T)是T的函數(shù)；不同溫度下，E=Ef(T)時，N(E)=1/2; 費(fèi)米能級Ef(T)：一般，把平均粒子數(shù)等于1/2的量子態(tài)的能量定義為費(fèi)米能級(0K時除外)。2.玻色一愛因斯坦統(tǒng)計(Bose-Einsteinstatistics)由玻色子組成的系統(tǒng)，在熱平衡狀態(tài)下，一個能量為E的量子態(tài)上存在的粒子數(shù)均為：N(E)=1

18、(E-)/kTeN-化學(xué)勢玻色一愛因斯坦凝聚(Bose-Einsteincondensation,BEC)由上式，在某些溫度和某些能量的量子態(tài)上，粒子數(shù)可1,說明玻色子不受泡利不相容原理的限制。因隨E1二粒子數(shù),以致可能在一定的低溫下，所有玻色子都聚集在最低的能級（基態(tài)能級）上，形成玻色一愛因斯坦凝聚狀態(tài)。 T=0時，玻色氣體的全部粒子集中到基態(tài)上形成一個“凝聚體” 玻色一愛因斯坦凝聚是一種宏觀量子現(xiàn)象，宏觀量的粒子聚集在同一個基態(tài)能級上。 玻色一愛因斯坦凝聚是動量空間（速度空間）的凝聚，不可與通常位形空間的凝聚混為一談。實驗觀察到，液態(tài)氮在T=2.18K時會出現(xiàn)一個HeII相，它具有特殊的物

19、理性質(zhì),如超流動性(superfluidity),這是玻色愛因斯坦凝聚的結(jié)果。1995年，玻色一愛因斯坦凝聚的實驗研究有了重大突破觀察到氣體的玻色一愛a斯坦凝聚體(Bose-Einsteincondensate)。7月CarlWieman和EricCornell的研究組在170nK以下獲得2000個87Rb原子的玻色一愛因斯坦凝聚體。實驗中用了極精密、巧妙的實驗技術(shù)，包括激光冷去人蒸發(fā)冷卻和捕獲技術(shù)。10月MIT的WolfgangKetterle(德)等在2"K在鈉原子氣體中得到玻色一愛因斯坦凝聚體，其中包含了50萬個鈉原子。以上三人獲得2001年諾貝爾物理獎。TheNobelPrizeinPhysics2001"fortheachievementofBose-Einsteincondensationindilutegasesofalkaliatoms,andforearlyfundamentalstudiesofthepropertiesofthecondensates"EricCornellUSAA.WolfgangKetterleCarlE.WiemanGermanyUSA玻色統(tǒng)計