光與物質(zhì)相互作用

光和物質(zhì)相互作用組員：***

*********光科13**目錄發(fā)光的物理研究光的吸收光的色散光的散射激光原理及其應(yīng)用舉例1.發(fā)光定義、特征什么是發(fā)光？發(fā)光就是物質(zhì)在熱輻射之外以光的形式發(fā)射出多余的能量，而這種多余能量的發(fā)射過程具有一定的持續(xù)時間。發(fā)光區(qū)別于光的散射、反射等物理過程。發(fā)光的兩個主要特征發(fā)出的總輻射中超出熱輻射的部分；當(dāng)激發(fā)源停止對物體的作用后，發(fā)光現(xiàn)象還會持續(xù)一定的時間。發(fā)光的物理研究2.發(fā)光的分類按被激發(fā)的方式分類光致發(fā)光photoluminescence電致發(fā)光electroluminescence陰極射線發(fā)光cathodeluminescenceX射線發(fā)光及高能粒子發(fā)光化學(xué)發(fā)光生物發(fā)光按照輻射方式分類自發(fā)輻射受激輻射受激吸收發(fā)光的物理研究3.發(fā)光的物理機(jī)理電子沿著一個個分立的軌道繞核旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電子在確定的軌道上運(yùn)動時，原子具有確定的能量。電子從一個軌道躍遷到另一個軌道，原子或分子就從一個能態(tài)躍變到另一能態(tài)，同時伴隨著能量的變化。電子在不同軌道之間躍變，原子向外釋放或吸收能量。發(fā)光的物理研究3.發(fā)光的物理機(jī)理原子從一個定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，會發(fā)射或吸收一個光子，頻率

輻射頻率公式每一個輻射光子稱作一個波列每個波列持續(xù)時間約10-8s原子或分子的發(fā)光過程是彼此獨(dú)立的、隨機(jī)的光源發(fā)出的連續(xù)光波實(shí)際上是大量原子或分子發(fā)光的總效果。

發(fā)光的物理研究3.發(fā)光的物理機(jī)理發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜原子的發(fā)射光譜是線狀光譜每種原子有其獨(dú)特的發(fā)射光譜——識別不同原子的標(biāo)志

分子發(fā)射光譜若干光譜帶組成的帶狀光譜分子能級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜分子的轉(zhuǎn)動能級間的躍遷發(fā)出遠(yuǎn)紅外輻射；振動能級間的躍遷發(fā)出中紅外輻射；而電子能級間的躍遷發(fā)出可見光和紫外輻射。發(fā)光的物理研究1.光與物質(zhì)的作用當(dāng)光波在媒質(zhì)中傳播時，由于光波和物質(zhì)的相互作用，一般呈現(xiàn)兩種效應(yīng)光的吸收光波和物質(zhì)作用的兩種效應(yīng)折射和雙折射現(xiàn)象（速度減慢）消光現(xiàn)象散射(scattering)現(xiàn)象吸收(absorption)現(xiàn)象(部分光波沿其它方向傳播)(光能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量)（光能減弱）光的吸收光吸收的類型一般吸收（generalabsorption

）在給定的波段范圍內(nèi)，若介質(zhì)對光的吸收很少，而且光吸收量與波長無關(guān)。在可見光范圍內(nèi)，一般吸收意味著光通過介質(zhì)后不改變顏色而只改變強(qiáng)度。選擇吸收（selectiveabsorption

）在給定的波段范圍內(nèi)，媒質(zhì)吸收某種波長的光能比較顯著。在可見光范圍內(nèi)，選擇吸收意味著光通過介質(zhì)后既改變顏色也改變強(qiáng)度。

光的吸收朗伯定律比爾定律朗伯定律稱為吸收系數(shù)，“－”號表示隨x增加I

減小。將上式積分：光的吸收I0III-dI光的吸收（朗伯定律的數(shù)學(xué)形式）

引入透光率T

和吸收度A

，并定義，，上式表示為

實(shí)驗(yàn)表明，在光強(qiáng)變化相當(dāng)大的范圍（約1020倍）內(nèi)，透射光強(qiáng)度滿足朗伯定律的數(shù)學(xué)形式。因此，朗伯定律適用于光強(qiáng)變化相當(dāng)大的場合。光的吸收比爾定律比爾定律是朗伯定律在溶液情形下的應(yīng)用。稀溶液的吸收系數(shù)與溶液濃度有關(guān)，即朗伯定律可變?yōu)椋?/p>

是一個與濃度無關(guān)的常數(shù)，它表征了吸收物質(zhì)的分子特性，C為溶液的濃度。吸收度A與濃度C

呈線性關(guān)系（比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式）光的吸收實(shí)際測量中觀察到吸收度與濃度關(guān)系偏離線性的情況，說明比爾定律的成立是有條件的。

比爾定律只在溶質(zhì)分子的吸收本領(lǐng)不受它周圍鄰近分子的影響時才成立。

光的反射、散射、溫度、時間、壓力等都會對比爾定律產(chǎn)生影響。朗伯定律始終成立，但比爾定律有時不一定成立。吸收光譜光的吸收當(dāng)一束復(fù)色光透過一定厚度的介質(zhì)時，利用介質(zhì)對光的吸收作用因波長而異，可產(chǎn)生吸收光譜。產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源所發(fā)的光，通過具有選擇吸收特性的物質(zhì)后，用光譜儀可以觀察到，在連續(xù)的發(fā)射光譜中，呈現(xiàn)出與發(fā)生吸收的波長區(qū)域相對應(yīng)的一些暗線或暗帶，這就是吸收光譜。光源單色儀樣品室檢測儀放大儀計(jì)算機(jī)輸出裝置紫外－可見光分光光度計(jì)原理圖光的吸收

若用原子化裝置代替樣品室，就可得到某元素的原子吸收光譜。所謂原子化就是使待測樣品中的原子達(dá)到霧化狀態(tài)，并保證霧化原子處于基態(tài)。這樣一旦有外來光照，原子便可吸收外來光，產(chǎn)生吸收光譜。每種元素都有其特征吸收波長和吸收光譜

原子吸收光譜廣泛應(yīng)用于定量分析中

鈉原子吸收光譜對于氣體、液體和固體而言，一般在紅外區(qū)有選擇吸收。吸收譜線寬度增大且組成連續(xù)譜帶，稱為帶狀光譜。紅外光譜分析常用于科學(xué)研究及生產(chǎn)實(shí)踐中。光的吸收原子吸收光譜的應(yīng)用探測太陽的元素構(gòu)成

太陽光譜是典型的暗線吸收光譜，在其連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條的暗線，稱為夫瑯禾費(fèi)譜線。這些譜線是處于較低溫度的太陽大氣中的原子，對更加熾熱的內(nèi)核發(fā)射的連續(xù)光譜進(jìn)行選擇吸收的結(jié)果。將這些吸收譜線的波長，與地球上已知物質(zhì)的原子發(fā)射光譜進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)太陽表面層中主要包含有氫、氦，還有鈉、氧、鐵和鈣等60多種元素。氦元素首先就是在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)的。

原子吸收光譜的靈敏度很高，混合物或化合物中原子含量極少的變化，都會在光譜中反映出吸收系數(shù)很大的改變。歷史上，曾靠這種方法發(fā)現(xiàn)了銫、銣、鉈、銦和鎵等多種元素。光的吸收原子吸收光譜在化學(xué)的定量分析中有廣泛的應(yīng)用

帶狀吸收光譜用來定性鑒定或定量測定有機(jī)化合物，研究分子力和分子結(jié)構(gòu)。

分子氣體、液體和固體一般在紅外波段有選擇吸收，吸收譜線密集地組成帶狀，形成帶狀吸收光譜。

不同的分子有其顯著不同的紅外吸收光譜，即使是分子量相同且其他物理化學(xué)性質(zhì)也基本相同的同質(zhì)異構(gòu)體，它們的紅外吸收光譜也明顯不同。光的色散光的色散色散率光的色散光在物質(zhì)中傳播時，其速度將比真空中小，而且不同頻率的光在同一物質(zhì)中的傳播速度不同。因此，物質(zhì)的折射率隨光的波長的不同而改變，這一現(xiàn)象稱為色散。色散現(xiàn)象也是光和物質(zhì)相互作用的結(jié)果。對于給定的介質(zhì)而言，折射率n是波長的函數(shù)，即

n＝n()色散率光的色散棱鏡折射率與頂角和最小偏向角關(guān)系測得不同波長的光線通過棱鏡的最小偏向角，可以按照上式計(jì)算出棱鏡對不同波長的光的折射率，從而可繪出棱鏡的色散曲線（即折射率n與波長的關(guān)系曲線）。正常色散光的色散幾種材料的色散曲線曲線特點(diǎn)：具有以上特點(diǎn)的色散稱為正常色散。波長越短，折射率n越大；波長

越短，色散率

越大；波長

很長時，折射率n趨于定值；不同物質(zhì)的色散曲線沒有簡單的相似關(guān)系。光的色散科希于1836年給出了正常色散的折射率與波長的函數(shù)關(guān)系：

式中

為真空中的波長，A、B、C為取決于介質(zhì)性質(zhì)的常量，其數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)測定。當(dāng)波長變化范圍不大時，上式可簡化為介質(zhì)的色散率

上式表明dn/d

<0（常數(shù)B始終為正），并且色散率的數(shù)值隨波長的增加而減小，與實(shí)驗(yàn)測得的正常色散曲線相符。

反常色散光的色散1862年，勒魯用碘蒸氣充滿三棱柱形容器研究光的折射現(xiàn)象，觀察到紫光的折射率比紅光的小，因這一現(xiàn)象與正常色散相反，勒魯稱其為反常色散。反常色散總是發(fā)生在物質(zhì)的選擇吸收帶。（孔脫）氰苷溶液色散的實(shí)驗(yàn)曲線曲線上從M點(diǎn)到N點(diǎn)為選擇吸收區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，折射率隨著波長的減小而減小，即反常色散。在吸收區(qū)域外，折射率隨著波長的減小而增大，是正常色散。

光的色散石英的色散曲線

可見光區(qū)的折射率滿足科希公式（曲線PQ段），因此，在可見光區(qū)域是正常色散若向紅外區(qū)域延伸，在吸收帶(圖中R點(diǎn))附近，明顯偏離正常色散曲線過了吸收帶重新進(jìn)入透明波段時，曲線又逐漸恢復(fù)為正常色散曲線

總結(jié)物質(zhì)的色散曲線都是由正常色散區(qū)域和反常色散區(qū)域所構(gòu)成的。不論是氣體、液體或固體介質(zhì)，在一定的波長區(qū)域內(nèi)，都會有選擇吸收，在這些區(qū)域中總是表現(xiàn)出反常色散。

光的散射光的散射

光束在介質(zhì)中傳播時，部分光線偏離原方向分散傳播的現(xiàn)象稱為光的散射。光散射的基本規(guī)律從分子理論來看，光波射入介質(zhì)后，將激起介質(zhì)中的電子作受迫振動，從而發(fā)散出相干次波。只要分子密度是均勻的，次波相干迭加的結(jié)果，只剩下遵從幾何光學(xué)規(guī)律的沿原方向傳播的光線，其余方向的振動完全抵消；若介質(zhì)是不均勻的，它能夠破壞次波的干涉相消，從而引起光的散射。光的散射光的散射光通過介質(zhì)時，散射會使透射光的強(qiáng)度減弱，當(dāng)僅考慮散射時，透射光遵從指數(shù)衰減規(guī)律：

實(shí)際上介質(zhì)對光的吸收和散射同時存在，故透射光的強(qiáng)度為：式中為吸收系數(shù)，（+）為衰減系數(shù)。式中I0為入射光強(qiáng)，為散射系數(shù)。光散射的基本類型光的散射據(jù)介質(zhì)不均勻性質(zhì)的起因，散射分為兩類：延德爾散射

光通過懸浮質(zhì)點(diǎn)（或微粒）的散射，如光在膠體、乳濁液以及含有煙、霧、灰塵的大氣中的散射。分子散射

在表面看來十分純凈、均勻的液體和氣體中，也能觀察到較微弱的散射。這種因介質(zhì)分子的密度漲落而引起的散射稱為分子散射。物質(zhì)處于氣、液二相的臨界點(diǎn)時，密度漲落很大，在光線照射下會的出現(xiàn)強(qiáng)烈散射，亦屬分子散射。瑞利散射光的散射瑞利首先研究了第二類散射的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)散射光與入射光的頻率相同，因此，這類散射又稱瑞利散射。（瑞利散射定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式）利用瑞利散射定律可以解釋旭日與夕陽的色彩。地球正午時的太陽傍晚時的太陽散射原理廣泛應(yīng)用于飲料與藥物純度的檢驗(yàn)。光的散射利用瑞利散射定律解釋白晝天空之亮——大氣散射把陽光從各個方向射向觀察者，否則，只看到在漆黑的背景中有一輪光輝奪目的太陽。天空是藍(lán)色的

——照瑞利散射定律，白光中波長較短的藍(lán)、紫色光所受到的散射，要比波長較長的紅、黃色光強(qiáng)烈得多。散射光將因短波的富集呈蔚藍(lán)色，而透射光將呈紅色。這就是天空呈蔚藍(lán)色，旭日和夕陽呈紅色的原因。雨后天更藍(lán)——大氣散射（主要）密度漲落引起的分子散射+（其次）懸浮塵埃的散射，前者的尺度比后者小得多，瑞利4反比律的作用更加明顯。所以，每當(dāng)雨過天晴的時候，天空總是藍(lán)得格外美麗。拉曼散射光的散射

1928年，印度科學(xué)家拉曼在研究溶液對光的散射時，發(fā)現(xiàn)散射光中除了有與入射光頻率0相同的瑞利光外，還有一部分散射光的頻率與入射光不同，這種散射光的頻率為這種散射光的波長不同于入射光的波長的散射現(xiàn)象稱拉曼散射，相應(yīng)的光譜稱為拉曼光譜。應(yīng)用：研究分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分的一種主要方法。激光的出現(xiàn)，使拉曼光譜技術(shù)獲得了新生，從而得以迅速發(fā)展。

拉曼在拉曼散射方面卓有成效的研究，使他榮獲1930年諾貝爾物理學(xué)獎。他是印度，也是亞洲第一位獲此殊榮的科學(xué)家。激光特點(diǎn)亮度高單色性好方向性好相干性高激光原理及其應(yīng)用舉例激光原理激光原理及其應(yīng)用舉例原子發(fā)光的三種躍遷過程(方式)hhhhh受激吸收（原子的光激發(fā)）受激輻射（光放大）自發(fā)輻射E!E2吸收前E!E2發(fā)光前吸收后發(fā)光后E!E2發(fā)光前發(fā)光后受激輻射不僅實(shí)現(xiàn)了光放大，而且產(chǎn)生的是相干光。激光原理及其應(yīng)用舉例根據(jù)玻爾茲曼分布律,熱平衡時具有能量Ei的原子數(shù)在能級E1和E2的原子數(shù)之比

在能級E1-E2的=1eV,T=300K,

則原子數(shù)之比約為10-40.E!E2

產(chǎn)生激光的基本條件激光原理及其應(yīng)用舉例實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)!必須采取特殊辦法E2E1N2N1●●●●●●●h●E2E1N2N1●●●●●●●●h●N1

>N2,吸收為主

N2

>N1,受激輻射為主只有N2

>N1才能受激比吸收多，光放大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

熱平衡時，高能級上原子數(shù)目極少,吸收比受激輻射多受激輻射、吸收幾率與對應(yīng)原子數(shù)成正比非熱平衡

激光原理及其應(yīng)用舉例

原子激發(fā)的幾種基本方式：1．氣體放電激發(fā)2．原子間碰撞激發(fā)3．光激發(fā)(光泵)無輻射躍遷E!E3E2激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)三能級系統(tǒng)

四能級系統(tǒng)

泵浦無輻射躍遷泵浦E!E4E3激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)E2實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)!必須采取特殊辦法

非熱平衡

非熱平衡

激光原理及其應(yīng)用舉例He-Ne激光器中Ne氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實(shí)現(xiàn)電子碰撞He21s23s碰撞亞穩(wěn)態(tài)Ne3s2s3p2p1150nm632.8nm3390nm

電子經(jīng)電場加速后，與He

碰撞。處于激發(fā)態(tài)的He

與Ne

碰撞，把能量傳遞給Ne，使它在亞穩(wěn)態(tài)（3s、2s）和激發(fā)態(tài)（3p、2p）之間形成反轉(zhuǎn)分布。激光器組成部分激光原理及其應(yīng)用舉例泵浦源全反射鏡部分反射鏡激光光束在諧振腔內(nèi)來回震蕩，在工作物質(zhì)中的傳播使光得以放大，并輸出激光。光學(xué)諧振腔使某一方向、某一頻率的輻射不斷得到加強(qiáng)，其它方向、其它頻率的輻射受到抑制的裝置激光的應(yīng)用舉例激光原理及其應(yīng)用舉例物理化學(xué)生命科學(xué)技術(shù)激光微量元素檢測光譜相干控制激光冷卻激光催化飛秒化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)確定光學(xué)信號處理激光視力測試激光美容激光手術(shù)材料加工通訊技術(shù)時間同步牙科應(yīng)用激光與物質(zhì)相互作用

是激光應(yīng)用的重要基礎(chǔ).激光原理及其應(yīng)用舉例

激光升溫與相變應(yīng)用軋輥激光表面相變硬化鋼軌激光表面強(qiáng)化激光照射材料材料反射與吸收溫度快速升高奧氏