原子分子光譜第九次(復(fù)習(xí))

1、1郭福明原子與分子物理研究所 ,135144124632本門課程重點(diǎn)復(fù)習(xí)內(nèi)容本門課程重點(diǎn)復(fù)習(xí)內(nèi)容3微觀粒子運(yùn)動(dòng)與電磁輻射的對應(yīng)：456類氫體系束縛態(tài)能級：, 2 , 1322222024nnZmeEn氫原子：Z=1，E1=13.6 eV7堿金屬原子能級：一般 l 越小貫穿效果越強(qiáng)，量子虧損d越大，而高 l 電子量子虧損接近0。8自旋-軌道相互作用（能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)）：由于旋軌相互作用的存在，使得原子的能級具有精細(xì)結(jié)構(gòu)j= s9電子組態(tài)：)(212211Nlnlnlnkiikkk電子殼層排布：l次殼層最多 2（2l+1）個(gè)電子；n殼層最多 個(gè)電子。2102) 12(2nlnl量子數(shù)：n=1，2，3

2、，l=0，1，2，n-1 s，p，d，ml=0，1，2，lms=1/210LS譜項(xiàng)： 2 + 10 1 2 3 4 5 , , , , , , .SSJLLL2+1光 譜 項(xiàng)光 譜 支 項(xiàng) , , , , , SPDFGH2+ 10 1 2 3 4 5 ,.SSJLLL2+ 1光 譜 項(xiàng)光 譜 支 項(xiàng) 1.由Pauli不相容原理，任意兩電子的（n、l、ml、ms）不能完全相同， 同科電子允許的譜項(xiàng)只能是L+S為偶數(shù)的項(xiàng)。 2.對于閉殼層電子，總的軌道角動(dòng)量、總自旋角動(dòng)量及總角動(dòng)量均為 零，所以閉殼層電子對光譜項(xiàng)中的L、S、J沒用貢獻(xiàn)，所以我們只需 考慮非閉殼層即可，nlm與nl2（2l+1）-

3、m允許譜項(xiàng)相同。ii lLiimMlL,ii sSiimMsS,SLMMMSLJ,11實(shí)例：電子組態(tài) 對應(yīng)光譜項(xiàng) 對應(yīng)光譜支項(xiàng)2s2p1P1， 3P0，1，21P， 3P 1P，3P ，1D ，3D， 1F，3F3p3d 1P1，3P0，1，2 ，1D 2， 3D1，2，3， 1F3，3F2，3，4 1s2（同科電子）1S0，3S11S 1S，3S ，1P ，3P， 1D，3D 1S0，3S1 ，1P 1， 3P0，1，2， 1D2，3D1，2，3 2p2（同科電子）紅色為禁戒譜項(xiàng)12LS耦合下的能級結(jié)構(gòu)：在LS耦合下pd組態(tài)能級結(jié)構(gòu)與各種相互作用3P球平均 + 庫侖直接 + 庫侖交換 + 自

4、旋軌道 + 外磁場EavPFD1P1F3F3D1D1P11F33P0124323212MJ10-1.210-1-213多電子原子的磁矩多電子原子的磁矩 J JJBJg14 在外磁場中，原子由于具有總磁矩j，而產(chǎn)生與磁場的附加的相互作用能： 由于總角動(dòng)量j的空間取向量子化 （mj=-j，-j+1，j），磁場作用下的附加能量不同，引起能級分裂。劈裂的能級個(gè)數(shù)為2j+1。躍遷選擇定則：M=0，115塞曼(Zeeman)效應(yīng)16正常塞曼效應(yīng)：正常塞曼效應(yīng)： 電子發(fā)生躍遷前后兩個(gè)原子態(tài)的總自旋都為零的譜線稱為單態(tài)譜線，單態(tài)譜線分裂為三條的現(xiàn)象稱為正常塞曼效應(yīng)。當(dāng)當(dāng)s s1 1=s=s2 2=0 =0 時(shí)

5、時(shí)反常塞曼效應(yīng)：反常塞曼效應(yīng)： 反常塞曼效應(yīng)是上下能級s1,s2都不等于零，g1,g2都不等于1，非單態(tài)能級之間的躍遷17超精細(xì)結(jié)構(gòu)：1.磁超精細(xì)結(jié)構(gòu)（核自旋效應(yīng)）2.電超精細(xì)結(jié)構(gòu)（核電四極矩效應(yīng)）3.同位素效應(yīng)18 由于原子核的質(zhì)量比電子的質(zhì)量大幾千倍，當(dāng)核的分布發(fā)生微小變化時(shí)，電子能夠迅速調(diào)整其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以適應(yīng)新的核勢場，而核對電子在其軌道上的迅速變化卻不敏感。因此，波恩和奧本海默將電子運(yùn)動(dòng)和核的運(yùn)動(dòng)分開，討論電子運(yùn)動(dòng)時(shí)近似認(rèn)為電子是在不動(dòng)的核的勢場中；討論核運(yùn)動(dòng)時(shí)，認(rèn)為核受到一個(gè)與電子坐標(biāo)無關(guān)的有效勢的作用，這就是波恩-奧本海默近似。 Bohn-Oppenheimer近似:-eZAeZBe

6、研究電子：A、B核不動(dòng)ZAeZBe研究核：不顯含電子坐標(biāo)，電子提供一個(gè)平均的有效勢回顧19 在Bohn-Oppenheimer近似下，分子總波函數(shù)分離為電子波函數(shù)和核波函數(shù)兩部分：)(),(),(RRrRrniei 其中， e 描述電子的運(yùn)動(dòng)，依賴于核的坐標(biāo)，不依賴核的量子狀態(tài)；n描述核的運(yùn)動(dòng)，主要反映核的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。eneneennHTVTTVVV對于固定核 ，0nT nnV為常數(shù)，電子波函數(shù)滿足：eeeeHEeeeneeHTVV核運(yùn)動(dòng)滿足：nnnnHEnnnneHTVE)(REEee20分子的轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)、電子能級示意圖E e E v ErEr：1040.05eV ：0.8400cm-1

7、 位于微波和遠(yuǎn)紅外光區(qū)Ev：0.051eV ：4008000cm-1位于紅外光區(qū)Ee：120eV ：81031.6l05cm-1位于紫外、可見光區(qū)21回顧雙原子分子轉(zhuǎn)動(dòng)光譜雙原子分子轉(zhuǎn)動(dòng)光譜轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷選律轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷選律: 整體選律整體選律: 只有極性分子才有轉(zhuǎn)動(dòng)光譜只有極性分子才有轉(zhuǎn)動(dòng)光譜; 具體選律具體選律:J=1.22轉(zhuǎn)動(dòng)能級轉(zhuǎn)動(dòng)能級回顧轉(zhuǎn)動(dòng)光譜轉(zhuǎn)動(dòng)光譜23 具體選律：才有具體選律：才有v=1的躍遷是允許的躍遷是允許的的.諧振子能級圖0)21(hvvEv/210kv 回顧24轉(zhuǎn)動(dòng)光譜 振動(dòng)光譜 物理模型 剛性轉(zhuǎn)子模型諧振子模型 躍遷選律 J J = =1 1 v= =1 1特點(diǎn) 譜線等間距排列

8、 能級等間距排列 公式 鍵長鍵的力常數(shù) 得到信息 總結(jié)總結(jié): :0)21(hVEVIchB282rI/210kv 25波數(shù)4 3 2 1 0 1 2 3JP支 R支J01234J 01234v+1v26振動(dòng)激發(fā)可以同時(shí)伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)激發(fā)，用高分辨率紅外光譜儀可觀察到振轉(zhuǎn)光譜. 例如, HCl的振轉(zhuǎn)光譜如下:P支支 Q支支 R支支27電偶極躍遷速率：)(22tEreVmPH2222202222/)2/sin()(tttirnAetcnin28EnEnEiinEE 共振輻射吸收EiEnniEE 受激發(fā)射EiinEE 自發(fā)發(fā)射2222202222/)2/sin()(tttirnAetcnin2930能級壽

9、命和寬度：/22| )(| ),(|tertr/0)(tiieNtN當(dāng) 時(shí)，激發(fā)態(tài)i的原子數(shù)目減小為原來的1/e。tA1/2( , )( )iiE ttr tr eeA22)2/()(2/)(iEEEPEP（E）EiP（Ei）P（Ei）/2半高全寬310tF T32譜線寬度和線型：EI（E）E0=Ei-EkI0I0/2E1.自然線寬：能級的壽命帶來的譜線的自然地展寬EiEk()/ikEEh 原子或分子在兩能態(tài)上的運(yùn)動(dòng)近似用一個(gè)具有阻尼的諧振子描述。220202)2/()()2/(| )(|)(IAI洛倫茲線型332.多普勒寬增寬：發(fā)光原子或分子與接收器間的相對速度帶來的接收到的輻射譜線的增寬我

10、們稱之為多普勒寬度。)1 (0czMKTp/22)(000)(pceII高斯線型：20)2ln(8MckT34（1）碰撞作用使發(fā)光粒子突然中斷發(fā)光而縮短壽命造成能級展寬。3.碰撞增寬：（2）由于碰撞使波列發(fā)生無規(guī)則的相位突變所引起的波列縮短，等效于壽命縮短。2202220)/1 ()(42)2/()(2)(cccccITPcc1洛倫茲線型：35例：氦氖激光器和CO2激光器的三種譜線增寬。T=300K, Ne 原子6328(632.8nm,紅光)譜線不同機(jī)理的增寬: HzHzHzNcD789102101107 . 1 此譜線主要機(jī)理是Doppler增寬36AbsorbedTransmittedR

11、eflectedIncident light l0l0l0l0l l0l l0ElasticInelastic瑞利散射和拉曼散射37散射光強(qiáng)與l4成反比。 把線度小于光的波長的微粒對入射光的彈性散射，稱為瑞利散射。1.瑞利散射：瑞利散射：382.拉曼散射 在散射光中在散射光中出現(xiàn)與入射光頻率不同的散射光出現(xiàn)與入射光頻率不同的散射光，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為拉曼散射。拉曼散射。 h( 0 + )E0E1E1 + h 0E2 + h 0 h h 0h( 0 - )瑞利散射斯托克斯散射反斯托克斯散射39CCl4的Raman光譜圖40儲存環(huán)示意圖儲存環(huán)示意圖插入件：產(chǎn)生各類插入件：產(chǎn)生各類不同特征的

12、同步輻射不同特征的同步輻射同步加速腔：加速同步加速腔：加速電子，并補(bǔ)充同步電子，并補(bǔ)充同步輻射損失的能量輻射損失的能量真空室：減少因殘留氣體真空室：減少因殘留氣體碰撞而損失光束線能量碰撞而損失光束線能量四極磁鐵：以透鏡四極磁鐵：以透鏡機(jī)制聚焦光束線機(jī)制聚焦光束線彎轉(zhuǎn)磁鐵彎轉(zhuǎn)磁鐵：使束流軌使束流軌道轉(zhuǎn)彎，產(chǎn)生同步輻射道轉(zhuǎn)彎，產(chǎn)生同步輻射同步輻射同步輻射41421. 1. 輻射光的波長連續(xù)可調(diào)、范圍寬；輻射光的波長連續(xù)可調(diào)、范圍寬；2. 2. 亮度高；亮度高；3. 3. 準(zhǔn)直性好；準(zhǔn)直性好；4. 4. 單色性好；單色性好；5. 5. 偏振光；偏振光；6. 6. 有特定的時(shí)間結(jié)構(gòu)；有特定的時(shí)間結(jié)構(gòu)；

13、7. 7. 穩(wěn)定。穩(wěn)定。8.8.多用戶多用戶同步輻射特性：同步輻射特性：43入射狹縫入射狹縫準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直鏡物鏡物鏡棱鏡棱鏡焦面焦面出射狹縫出射狹縫f分光系統(tǒng)分光系統(tǒng) 將由不同波長的“復(fù)合光”分開為一系列“單一”波長的“單色光”的器件。1. 棱鏡：棱鏡：棱鏡分光系統(tǒng)使輻射沿焦面呈非線性色散，短波的色散大于長波。44 光柵光柵反射光柵反射光柵透射光柵透射光柵透光寬度透光寬度不透光寬度不透光寬度光柵常數(shù)光柵常數(shù)d badab 大量等寬等間距的平行狹縫大量等寬等間距的平行狹縫( (或反射面或反射面) )構(gòu)成的光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)元件光柵寬度為光柵寬度為 l ，每毫米縫數(shù)每毫米縫數(shù)為為 m ，則，則總縫數(shù)總

14、縫數(shù)lmN光柵光柵45縫間干涉主極大就是光柵衍射主極大，其位置滿足縫間干涉主極大就是光柵衍射主極大，其位置滿足lkdsin, 3 , 2 , 1 , 0k 光柵方程光柵方程 多縫干涉主極大光強(qiáng)受單縫衍射光強(qiáng)調(diào)制，使得主極大光多縫干涉主極大光強(qiáng)受單縫衍射光強(qiáng)調(diào)制，使得主極大光強(qiáng)大小不同，在單縫衍射光強(qiáng)極小處的強(qiáng)大小不同，在單縫衍射光強(qiáng)極小處的主極大主極大缺級。缺級。lkasindkakllsinadkk2ad23ad6, 4, 2k9, 6, 3k缺級條件缺級條件如如缺級缺級缺級缺級缺級條件分析缺級條件分析, 3 , 2 , 1 klkdsin三三. . 衍射和縫間干涉的共同結(jié)果衍射和縫間干涉的

15、共同結(jié)果46N=6,d=5a47單縫衍射和縫間干涉的共同結(jié)果1 N20 N6 N5 N3 N2 N幾種縫的光柵衍射幾種縫的光柵衍射48斜入射的光柵方程斜入射的光柵方程lkd)sin(sin主極大條件主極大條件k = 0, 1, 2, 3N缺級條件缺級條件l)sin(sinkalkd)sin(sin最多明條紋數(shù)最多明條紋數(shù))22()sin2(sinmaxldk)sin2 (sin maxl-dk1maxmaxkkNAB aNsin) 1(sin) 1(aN p49-6-4-20246 k=0閃耀光柵 光柵分辨率：50入射狹縫S1出射狹縫S2球面鏡M1球面鏡M2反射光柵G（閃耀光柵）S1處于M1的

16、焦平面處。光柵單色儀S2處于M2的焦平面處。51常用激光器由三部分組成：常用激光器由三部分組成： 工作物質(zhì)工作物質(zhì) 泵浦源泵浦源 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔激光激光激光器結(jié)構(gòu)示意圖激光器結(jié)構(gòu)示意圖全反鏡半反鏡增益介質(zhì)泵浦燈1.激光器的結(jié)構(gòu)52按輸出方式分：按輸出方式分：脈沖輸出脈沖輸出連續(xù)輸出連續(xù)輸出按工作物質(zhì)分按工作物質(zhì)分 ：半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器氣體激光器氣體激光器固體激光器固體激光器液體激光器液體激光器自由電子激光器自由電子激光器2.激光器的分類按輸出波長分：按輸出波長分：紫外和真空紫外激光器紫外和真空紫外激光器紅外和遠(yuǎn)紅外激光器紅外和遠(yuǎn)紅外激光器可見光激光器可見光激光器X射線激光器射線激光

17、器53（1 1）方向性好）方向性好3. 激光的特性（2 2）單色性好）單色性好(3) (3) 亮度高亮度高(4) (4) 相干性好相干性好54EiEnniEE 受激發(fā)射受激輻射光放大55為得到光放大為得到光放大,必須使必須使2N1N56E1E2泵浦57E1E3E2泵浦亞穩(wěn)態(tài)12EEhE1E4E3泵浦亞穩(wěn)態(tài)E232hEE5859s2s1Nes3s12s32Hep2p3碰632.8nm共振轉(zhuǎn)移共振轉(zhuǎn)移回顧電極加上高電壓后，毛細(xì)管中的氣體開始放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光躍遷的是Ne氣，He是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率603) 二氧化碳激光器工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：CO2、N2和和

18、He的混的混合物合物激光波長：激光波長：10.6微米、微米、9.6微米微米（遠(yuǎn)紅外光）（遠(yuǎn)紅外光）（利用基態(tài)的不同振動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)（利用基態(tài)的不同振動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)能級之間的躍遷，故光子能動(dòng)能級之間的躍遷，故光子能量?。┝啃。┨攸c(diǎn)：特點(diǎn)：激光器效率高、輸出能激光器效率高、輸出能量大、功率高量大、功率高。四能級、電激勵(lì)614）染料激光器n有機(jī)化合物液體（染料）激光器，簡稱染料激光器n染料激光器：若丹明6G、隱花青，豆花素n特點(diǎn)：激光波長可調(diào)諧且調(diào)諧范圍寬廣、可產(chǎn)生極短的超短脈沖（3fs）、可獲得窄的譜線寬度n廣泛應(yīng)用到光生物學(xué)、光譜學(xué)、光化學(xué)同位素分離、全息照像等技術(shù)中，研究物質(zhì)的瞬態(tài)變化過程及微觀動(dòng)力學(xué)。62四能級635）半導(dǎo)體激光器n半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)，常用材料有GaAs（砷化鎵）、InP等。具有小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信、激光唱片、光盤、數(shù)顯、準(zhǔn)直等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管，或簡稱激光二極管，英半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管，或簡稱激光二極管，英文縮寫為文縮寫為LD (Laser Diod