光譜學(xué)基礎(chǔ)知識

第一章光譜學(xué)基礎(chǔ)知識

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，也具有動量

第1頁，共16頁。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。光子具有角動量，在光與物質(zhì)相互作用時要遵守角動量守恒定律。當(dāng)用偏振光與原子或分子相互作用時，要用相應(yīng)的選擇定則去分析第2頁，共16頁。光的相干性，是指在不同空間點(diǎn)上和不同時刻的光波電場之間的相關(guān)性

2、光的相干性如果相位差在足夠長的觀察時間內(nèi)維持不變，則光強(qiáng)可以寫成

兩束光相干如果在觀察時間內(nèi)隨機(jī)變化，則因子，兩束光非相干第3頁，共16頁。時間相干性：指在同一空間點(diǎn)上，兩個不同時刻的光場之間的相干性。時間相干性常用相干時間來描述。處在相干時間間隔內(nèi)的光場是相干的。在相干時間內(nèi)光波傳播的距離稱為相干長度

空間相干性：指在同一時刻，兩個不同空間點(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外層價電子繞原子實(shí)轉(zhuǎn)動的系統(tǒng)，原子實(shí)的質(zhì)量很大，可將電子的轉(zhuǎn)動看作為繞固定中心的振動。不考慮阻尼，電子的運(yùn)動方程：事實(shí)上，電子─原子實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成一個電偶極子，為電偶極矩。振動電偶極子輻射阻尼。輻射阻尼力:第4頁，共16頁?？紤]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，第5頁，共16頁。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)動方程：其解：穩(wěn)態(tài)解瞬態(tài)解振子與外光場相位差時，振動幅度最大，共振。遠(yuǎn)離時，振幅很小，但這是一個穩(wěn)定的振幅

第6頁，共16頁。極化與色散當(dāng)光波通過一種介質(zhì)時，會產(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7頁，共16頁。

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)。√

如果m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處于低能級的原子會吸收外界輻射場的一個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)

第8頁，共16頁。（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9頁，共16頁。第四節(jié)光譜光波段

1、光波段

2、光譜的分類

√按產(chǎn)生機(jī)制：發(fā)射譜，吸收譜第10頁，共16頁?！贪醋V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：(1)價電子在鍵連著的原子間運(yùn)動；(2)各原子間的相對運(yùn)動-振動；(3)分子作為一個整體的轉(zhuǎn)動。

√B-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，

振動光譜：躍遷發(fā)生在同一電子態(tài)內(nèi)不同振動能級間，近紅外區(qū)域

轉(zhuǎn)動光譜：同一電子態(tài)和振動態(tài)的不同轉(zhuǎn)動能級間躍遷遠(yuǎn)紅外至微波區(qū)域

第11頁，共16頁。（4）多原子分子光物理過程第12頁，共16頁。

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)度下降到一半時相應(yīng)的兩個頻率之間的間隔。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

第13頁，共16頁。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，即當(dāng)發(fā)光原子相對探測器飛來時，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

第14頁，共16頁。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。

第15頁，共16頁。內(nèi)容梗概第一章光譜學(xué)基礎(chǔ)知識。光與物質(zhì)的相互作用主要是電場E的作用。光具有能量，也具有動量。它們對應(yīng)于線偏振光、左旋和右旋偏振光。當(dāng)用偏振光與原子或分子相互作用時，要用相應(yīng)的選擇定則去分析。時間相干性：指在同一空間點(diǎn)上，兩個不同時刻的光場之間的相干性。時間相干性常用相干時間來描述。空間相干性：指在同一時刻，兩個不同空間點(diǎn)上光場之間的相干性。外加光場對原子的作用：原子將作受迫振蕩。誘導(dǎo)極化強(qiáng)度P與電場強(qiáng)度E成正比：。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)之比為。√如果m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。處于低能級的原子會吸收外界輻射場的一個光。子而從低能級躍遷到高能級。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。√按