原子分子光譜第六次2010115課件

原子分子光譜,1能級壽命和寬度：當時，激發(fā)態(tài)i的原子數(shù)目減小為原來的1/e。EP（E）EiP（Ei）P（Ei）/2半高全寬回顧2tFT回顧32.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們稱之為多普勒寬度。高斯線型：回顧5（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。洛倫茲線型：回顧6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)譜線不同機理的增寬:

此譜線主要機理是Doppler增寬回顧7散射光強與4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：回顧92.拉曼散射

在散射光中出現(xiàn)與入射光頻率不同的散射光，這種現(xiàn)象稱為拉曼散射。h(0

+

)E0E1E1+h0E2+h0

h

h0h(0

-

)瑞利散射斯托克斯散射反斯托克斯散射回顧10CCl4的Raman光譜圖回顧11典型光源:1、非熱光源A氣體放電光源。。－＋放電管高壓鎮(zhèn)流電阻

原子從較高的能級躍遷到較低的能級時，以輻射的方式釋放能量，獲得單色性優(yōu)良的光波。13B金屬蒸氣電弧光源

在放電管中注入少量低熔點的金屬元素如Na、Hg、Cs，金屬原子將參與放電而被激勵到高能級上，隨后又自發(fā)地躍遷到基態(tài)或其他低能級而發(fā)光。C固態(tài)發(fā)光體固體材料受到外界激勵后可產(chǎn)生光輻射。電致發(fā)光光致發(fā)光熒光：被激勵到上能級的電子的壽命很短。磷光：被激勵電子較長時間停留在上能級。D同步輻射光源加速運動的電荷以電磁波的形式輻射能量。14

任何固體或液體在任何溫度下都向外輻射電磁波,固體在溫度升高時顏色的變化。

由于物體輻射總能量及能量按波長分布都決定于溫度，所以稱為熱輻射。

1400K800K1000K1200K在室溫下，物體所輻射的波段在遠紅外。2、熱光源熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛涞墓庠础?/p>

在高溫下，物體中的各類原子、分子可因熱運動而改變其能量狀態(tài)并輻射出各種波長的光波。光波為連續(xù)譜。15依據(jù)光源光譜性質(zhì)不同，分為：連續(xù)光源：在較大范圍提供連續(xù)波長的光源，氫燈、氘燈、鎢絲燈等。線光源：提供特定波長的光源，金屬蒸氣燈(汞燈、鈉蒸氣燈)、空心陰極燈、激光等。1718對光源的要求：強度大（分析靈敏度高）；穩(wěn)定（分析重現(xiàn)性好）；且輻射能隨波長的變化盡可能小，使用壽命長。19D形盒出射粒子束半徑:周期:均勻磁場B

回旋加速器振蕩器21直線加速器

實景示意22同步加速器示意圖插入裝置：產(chǎn)生各類不同特征的同步輻射同步加速腔：加速電子，并補充同步輻射損失的能量真空室：減少因殘留氣體碰撞而損失光束線能量四極磁鐵：以透鏡機制聚焦光束線彎轉(zhuǎn)磁鐵：使束流軌道轉(zhuǎn)彎，產(chǎn)生同步輻射同步加速器從直線加速器出來的帶電粒子圍繞著一個固定的環(huán)形軌道作回旋運動，并在回旋中加速，直至達到預(yù)期的能量。23同步輻射光源裝置同步輻射光源的原理圖直線加速器儲存環(huán)光束線實驗站25合肥中國科技大學(xué)電子同步輻射加速器的總體布局圖速調(diào)管走廊200MeV電子直線加速器核物理實驗大廳束流輸運線800MeV電子儲存環(huán)26一臺同步輻射裝置是一個非常復(fù)雜的高科技綜合工程，造價十分昂貴。它的主體是一臺同步加速器，在加速器的儲存環(huán)中安排若干插入件，并在儲存環(huán)上安裝若干條光束線，在每條光束線的末端建立若干實驗站。2729

對一個儲存環(huán)來說，當電子能量確定時，它產(chǎn)生的同步輻射的特征能量也就完全確定，有什么辦法使得在已有的同步輻射光源上進一步提高輻射光的能量呢?前蘇聯(lián)科學(xué)家金斯保發(fā)明一種插入元件來實現(xiàn)這個目的。a.扭擺器(Wiggler)由一組N極和S極周期相間的磁鐵構(gòu)成，安裝在直線段真空盒的上下方,電子在扭擺器的磁場里作近似正弦曲線的扭擺運動。扭擺器的作用是在儲存環(huán)的局部區(qū)域增大磁場，在局部形成小的電子軌道曲率半徑，使得電子在作扭擺運動時發(fā)出的同步輻射有較大的特征能量，從而達到增加高能量光子數(shù)目的目的。插入件：b.波蕩器(undulator)

波蕩器實現(xiàn)能量不高，但是亮度很高的光子束。波蕩器與扭擺器不同的地方，在于磁場弱周期長度短而數(shù)目多。電子在波蕩器中運動的軌道也是近似于正弦曲線，但是振幅很小，如微微波蕩，所以得名波蕩器。由于波蕩器的磁場不大，所以它產(chǎn)生的特征能量不高，但是它的周期多，而且從不同周期上產(chǎn)生的光部分相干地疊加在一起，結(jié)果使得同步光的亮度成百上千倍的增加。30

光束線是把在儲存環(huán)內(nèi)作加速運動的高能電子所產(chǎn)生的同步輻射光輸送到實驗站的裝置，并根據(jù)不同的實驗對光的波長的不同要求，把同步輻射光單色化并使之聚焦?？偟膩碚f，光束線的功能是把同步輻射光準直、聚焦、單色化。

2.光束線

在每條光束線上可建若干個實驗站。不同的實驗站作不同類型的科學(xué)研究，如材料、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等研究。不同的研究對象，對輻射光的波長、亮度、時間分辨等有不同的要求。在中國科技大學(xué)同步輻射實驗室中現(xiàn)有光束線5條，已有實驗站5個，在建和將建實驗站9個。3.實驗站31對于波長較長的軟X射線與真空紫外光，可采用衍射光柵作單色儀。衍射光柵全反射鏡光源四縫準直樣品出口縫反射鏡前置聚焦鏡后置聚焦鏡進入縫典型的光束線安排衍射光柵32軟X射線顯微術(shù)光化學(xué)時間分辨光譜光電子能譜光刻擴展X光吸收精細結(jié)構(gòu)光聲光熱輻射標準與計量紅外與遠紅外同步輻射實驗站分布示意圖33第一代同步輻射光源的加速器是因高能物理實驗的需要而制造的，同步輻射光源則是一個副產(chǎn)品。我國北京的同步輻射裝置是正負電子對撞機的一部分，屬第一代。目前世界上在使用的約17臺。同步輻射裝置的發(fā)展已經(jīng)歷了三代：第三代是同步輻射光源的亮度更高、性能更好的光源。從1994年至今世界上已建成多臺，它們分布在美、法、意、日、韓及臺灣的新竹。我國上海正在計劃建造的上海同步輻射裝置，在性能上將比目前的第三代裝置還要優(yōu)越一些。第二代是專用型同步輻射光源，1991年在中國科技大學(xué)建成的合肥同步輻射光源、日本的光子工廠等就屬于第二代光源。目前世界上運行的第二代同步輻射光源有23臺之多。3435363738一臺同步輻射裝置，在儲存環(huán)中運行的電子的能量和軌道的彎轉(zhuǎn)半徑將決定這臺同步加速器所輻射的光譜形狀。光子能量范圍從幾個電子伏特到幾十MeV，相應(yīng)的波長從幾微米到幾百皮米(10-12米)，即從遠紅外到硬X射線。1.輻射光的波長覆蓋面大且連續(xù)可調(diào)光子能量(eV)同步輻射特性39

同步輻射光是沿電子運動軌道的切線方向在一個很小的角度范圍內(nèi)發(fā)射出來的，在與軌道平面的垂直方向上所張的角度很小，因此有很好的準直性。3.有好的準直性e大功率的X光管的最大輸出功率約10瓦2.有強的輻射功率同步輻射的功率可達幾萬瓦40在加速器儲存環(huán)中電子以束團形式運動。電子束團密度決定了光脈沖的寬度。環(huán)形加速器的周長則決定了脈沖的周期，對于1個周長為L的加速器，由于能量為GeV量級，電子的速度已十分接近光速(V=0.99999987c)，所以脈沖周期為T=L/c。

如果電子束團長度為S，則脈沖的持續(xù)時間，即脈沖寬度為

t=S/c。4.具有很高的亮度由于同步輻射光功率強，而且又是在一個很小的立體角中發(fā)射出來的，能量高度集中，所以必然有很高的亮度。北京同步輻射裝置所發(fā)射的光的亮度為1013，這是屬于第一代裝置，目前世界上已有第三代裝置，亮度達1017～1018。5.脈沖光源，有特定的時間結(jié)構(gòu)41在電子軌道平面中的同步輻射光是完全的線偏振光，光的電矢量就在電子的軌道平面內(nèi)。這種偏振特性很有用，是普通X光所沒有的。利用偏振光可研究生物分子的旋光性，也可以研究磁性材料。6.同步輻射是偏振光因為同步輻射光是電子在超高真空的環(huán)境中作加速運動而產(chǎn)生的，是特別“干凈”，非?！凹儭钡墓?。不像X光管，管內(nèi)有殘余氣體，而殘余氣體，受電子轟擊也會發(fā)光。利用這種“干凈”的光，可作微量元素的分析、表面物理研究、超大規(guī)模集成電路的光刻等。7.同步輻射是“光譜純”的光42

利用先進的加速技術(shù)，目前可以使電子束流在加速器中穩(wěn)定循環(huán)運行十幾到二十幾個小時，保持電子能量與束流強度不變，從而使輻射光強有高度的穩(wěn)定性。這對于要求高精度、高分辨率的重復(fù)性的實驗是必要的。同步輻射還有一個很重要的性質(zhì)，就是它的譜分布和譜光度都是可以精確計算的。利用這個性質(zhì)，可把它作為標準來校準其它光源。

同步輻射光源的一大特點就是多用戶和高穩(wěn)定性，可同時容納數(shù)百人同時實驗。綜上所述，同步輻射具有如此優(yōu)良的特性，使得它在許多領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。8.高度穩(wěn)定性43激光留待下節(jié)44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。理想的100%的單色光是不可能達到的，實際上只能獲得的是具有一定“純度”的單色光，即該“單色光具有一定的寬度（有效帶寬）。45入射狹縫準直鏡物鏡棱鏡焦面出射狹縫f入射狹縫準直鏡光柵物鏡出射狹縫f棱鏡和光柵作為分光元件的兩類單色儀構(gòu)成：狹縫；準直鏡；棱鏡或光柵；會聚透鏡。46棱鏡和光柵是光譜分析儀器中所使用的最主要的分光元件，但現(xiàn)代分析儀器多采用光柵作為分光元件。原因為：光柵對同樣尺寸大小的色散元件可獲得最好的波長分離，并且輻射沿焦面呈線性色散。對棱鏡來說，短波的色散大于長波。47正常色散：隨波長的增加，折射率下降。反常色散，一些物質(zhì)在某些波長附近，隨波長的增加折射率上升。1.棱鏡棱鏡的色散作用是基于構(gòu)成棱鏡的光學(xué)材料對不同波長的光具有不同的折射率。波長大的折射率小，波長小的折射率大。48色散率：角色散率d

/d，表示偏向角對波長的變化。在最小偏向角時（折射線平行于棱鏡底邊），可以導(dǎo)出：

可見角色散率與折射率n及棱鏡頂角有關(guān)。因此，增加角色散率d/d的方式有三：改變棱鏡材料，玻璃比石英的折射率大，但玻璃只適于可見光區(qū)；增加棱鏡頂角，這種辦法將受到入射角大于臨界角時發(fā)生全反射的限制,多選

60o；增加棱鏡數(shù)目，但由于設(shè)計及結(jié)構(gòu)上的困難，還有光強減小的問題。最多用2個。ib49線色散率dl/d或倒線色散率d/dl：它表示兩條譜線在焦面上被分開的距離對波長的變化率：

可見線色散率除與角色散率有關(guān)外，還與會聚透鏡焦距f及焦面和光軸間夾角有關(guān)。因此，增加透鏡焦距；減小焦面與光軸夾角棱鏡色散能力提高。

入射狹縫準直鏡物鏡棱鏡焦面出射狹縫f50分辨率R：指將兩條靠得很近的譜線分開的能力（Rayleigh準則），可表示為

其中，m---棱鏡個數(shù)；b底邊有效長度（cm）

分辨率隨波長變化而變化，在短波部分分辨率較大，即棱鏡分光具有“非勻排性”，這是棱鏡分光最大的不足。剛可分辨0.81.051反射式棱鏡單色儀的基本結(jié)構(gòu)入射準直系統(tǒng)

由入射狹縫S1和準直凹面反射鏡M1組成色散系統(tǒng)由可以繞O點轉(zhuǎn)動的棱鏡P以及與之固定在一起的平面鏡M2構(gòu)成出射聚光系統(tǒng)

由聚焦凹面反射鏡M3和出射狹縫S2組成522.光柵制作：以特殊的工具（如鉆石），在硬質(zhì)；磨光的光學(xué)平面上刻出大量緊密而平行的刻槽。以此為母板，可用液態(tài)樹脂在其上復(fù)制出光柵。制作的光柵有平面透射光柵；平面反射光柵及凹面反射光柵?？讨瀑|(zhì)量不高的光柵易產(chǎn)生散射線及鬼線（Ghostlines）。

通常的刻線數(shù)為300-2000刻槽/mm。最常用的是1200-1400刻槽/mm（紫外可見）及100-200刻槽/mm（紅外）。

53平面透射光柵dP0P1P0（0級）P1P1P2P2距離相對強度入射光為單色光，那么當入射線垂直于光柵時，=0，n=dsin當入射