光譜學基礎知識

光譜學基礎知識第1頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三1905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，在光與物質相互作用時要遵守角動量守恒定律。當用偏振光與原子或分子相互作用時，要用相應的選擇定則去分析第2頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三光的相干性，是指在不同空間點上和不同時刻的光波電場之間的相關性

2、光的相干性如果相位差在足夠長的觀察時間內維持不變，則光強可以寫成

兩束光相干如果在觀察時間內隨機變化，則因子，兩束光非相干第3頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三時間相干性：指在同一空間點上，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的光場是相干的。在相干時間內光波傳播的距離稱為相干長度

空間相干性：指在同一時刻，兩個不同空間點上光場之間的相干性。第二節(jié)光在介質中的傳播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轉動的系統(tǒng)，原子實的質量很大，可將電子的轉動看作為繞固定中心的振動。不考慮阻尼，電子的運動方程：事實上，電子─原子實系統(tǒng)構成一個電偶極子，為電偶極矩。振動電偶極子輻射阻尼。輻射阻尼力:第4頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三考慮阻尼力：

小阻尼：阻尼系數(shù)場強E與x成正比，輻射場強衰減，輻射功率也是衰減的，第5頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三2、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。設光場：電子運動方程：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。遠離時，振幅很小，但這是一個穩(wěn)定的振幅

第6頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三極化與色散當光波通過一種介質時，會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。誘導極化強度P與電場強度E成正比：

極化率介質介電常數(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15頁，2023年，2月20日，星期三

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)?！?/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吸收當外界輻射場頻率和相應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15頁，2023年，2月20日，星期三（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。√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)間的關系第9頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)光譜光波段

1、光波段

2、光譜的分類

√按產(chǎn)生機制：發(fā)射譜，吸收譜第10頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三√按譜線特征：分立譜，連續(xù)譜分立譜－線狀譜：某些頻率上光強極大連續(xù)譜：一段光譜區(qū)上光強連續(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鍵，把原子結合在一起。3、分子光譜的特征

√分子內部存在著下列三種運動：(1)價電子在鍵連著的原子間運動；(2)各原子間的相對運動-振動；(3)分子作為一個整體的轉動。

√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)內不同振動能級間，近紅外區(qū)域

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

第11頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三（4）多原子分子光物理過程第12頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三

第五節(jié)譜線寬度與線型

實驗測得的譜線都有寬度，而不是一條“線”譜線強度下降到一半時相應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：

頻率分布函數(shù)自然線寬:由輻射阻尼定義并轉換為波長，

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15頁，2023年，2月20日，星期三2、多普勒展寬由于發(fā)光原子相對于觀察者（檢測器）運動而產(chǎn)生的一種光波頻移現(xiàn)象。考慮光子沿z方向傳播，為正時，即當發(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展寬的光譜線的強度為高斯線型，也稱Doppler線型函數(shù)

線寬:遠比自然線寬大

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