光譜學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

光譜學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)第一頁，共十五頁，2022年，8月28日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(duì)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(dòng)量，在光與物質(zhì)相互作用時(shí)要遵守角動(dòng)量守恒定律。當(dāng)用偏振光與原子或分子相互作用時(shí)，要用相應(yīng)的選擇定則去分析第二頁，共十五頁，2022年，8月28日光的相干性，是指在不同空間點(diǎn)上和不同時(shí)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(shí)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(shí)間內(nèi)隨機(jī)變化，則因子，兩束光非相干第三頁，共十五頁，2022年，8月28日時(shí)間相干性：指在同一空間點(diǎn)上，兩個(gè)不同時(shí)刻的光場之間的相干性。時(shí)間相干性常用相干時(shí)間來描述。處在相干時(shí)間間隔內(nèi)的光場是相干的。在相干時(shí)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(shí)刻，兩個(gè)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(gè)外層價(jià)電子繞原子實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的系統(tǒng)，原子實(shí)的質(zhì)量很大，可將電子的轉(zhuǎn)動(dòng)看作為繞固定中心的振動(dòng)。不考慮阻尼，電子的運(yùn)動(dòng)方程：事實(shí)上，電子─原子實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)電偶極子，為電偶極矩。振動(dòng)電偶極子輻射阻尼。輻射阻尼力:第四頁，共十五頁，2022年，8月28日考慮阻尼力：

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，第五頁，共十五頁，2022年，8月28日2、原子系統(tǒng)的吸收與色散

外加光場對(duì)原子的作用：原子將作受迫振蕩。設(shè)光場：電子運(yùn)動(dòng)方程：其解：穩(wěn)態(tài)解瞬態(tài)解振子與外光場相位差時(shí)，振動(dòng)幅度最大，共振。遠(yuǎn)離時(shí)，振幅很小，但這是一個(gè)穩(wěn)定的振幅

第六頁，共十五頁，2022年，8月28日極化與色散當(dāng)光波通過一種介質(zhì)時(shí)，會(huì)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)

第七頁，共十五頁，2022年，8月28日

第三節(jié)能級(jí)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(jí)的分布服從玻耳茲曼分布。高能級(jí)m和低能級(jí)n上的原子數(shù)之比為√較高能級(jí)m上的原子數(shù)總是小于較低能級(jí)n上的原子數(shù)?！?/p>

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(shí)處于低能級(jí)的原子會(huì)吸收外界輻射場的一個(gè)光子而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)

吸收躍遷幾率愛因斯坦吸收系數(shù)

第八頁，共十五頁，2022年，8月28日（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(jí)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。√發(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)系第九頁，共十五頁，2022年，8月28日第四節(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，吸收譜第十頁，共十五頁，2022年，8月28日√按譜線特征：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(huì)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(dòng)：(1)價(jià)電子在鍵連著的原子間運(yùn)動(dòng)；(2)各原子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)-振動(dòng)；(3)分子作為一個(gè)整體的轉(zhuǎn)動(dòng)。

√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(dòng)光譜：躍遷發(fā)生在同一電子態(tài)內(nèi)不同振動(dòng)能級(jí)間，近紅外區(qū)域

轉(zhuǎn)動(dòng)光譜：同一電子態(tài)和振動(dòng)態(tài)的不同轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間躍遷遠(yuǎn)紅外至微波區(qū)域

第十一頁，共十五頁，2022年，8月28日（4）多原子分子光物理過程第十二頁，共十五頁，2022年，8月28日

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(shí)相應(yīng)的兩個(gè)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

第十三頁，共十五頁，2022年，8月28日2、多普勒展寬由于發(fā)光原子相對(duì)于觀察者（檢測器）運(yùn)動(dòng)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(shí)，即當(dāng)發(fā)光原子相對(duì)探測器飛來時(shí)，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

第十四頁，