吸收光譜學(xué)習(xí)教案

1、吸收光譜吸收光譜(x shu un p)第一頁(yè)，共49頁(yè)。主要(zhyo)內(nèi)容一、太陽(yáng)(tiyng)光譜二、譜線線寬及增寬三、吸收光譜(x shu un p)的特點(diǎn)四、發(fā)射光譜與吸收光譜的關(guān)系五、普通光譜與激光光譜六、基本吸收光譜原理七、飽和吸收光譜八、飽和吸收光譜穩(wěn)頻第1頁(yè)/共49頁(yè)第二頁(yè)，共49頁(yè)。為什么有黑線(hi xin)？基爾霍夫和本生怎么(zn me)解釋？一、太陽(yáng)(tiyng)光譜 牛頓觀察到的太陽(yáng)光譜第2頁(yè)/共49頁(yè)第三頁(yè)，共49頁(yè)。主要(zhyo)內(nèi)容一、太陽(yáng)(tiyng)光譜二、譜線線寬及增寬三、吸收光譜(x shu un p)的特點(diǎn)四、發(fā)射光譜與吸收光譜的關(guān)系五、普通光譜

2、與激光光譜六、基本吸收光譜原理七、飽和吸收光譜八、飽和吸收光譜穩(wěn)頻第3頁(yè)/共49頁(yè)第四頁(yè)，共49頁(yè)。1、光譜(gungp)輪廓 光譜線有相當(dāng)窄的頻率或波長(zhǎng)范圍，即有一定寬度。 一束不同頻率強(qiáng)度為I0的平行光通過(guò)厚度為l的原子蒸氣，一部分光被吸收，透過(guò)光的強(qiáng)度I服從吸收定律 I = I0 exp(-kl) 式中k是基態(tài)(j ti)原子對(duì)頻率為的光的吸收系數(shù)。不同元素原子吸收不同頻率的光，透過(guò)光強(qiáng)度對(duì)吸收光頻率作圖，如下圖：原子蒸汽lhI0 I 二、譜線線寬及增寬第4頁(yè)/共49頁(yè)第五頁(yè)，共49頁(yè)。 I0I 0 I 與 的關(guān)系由圖可知，在頻率 0處透過(guò)光強(qiáng)度最小，即吸收最大。若將吸收系數(shù)對(duì)頻率作圖，

3、所得曲線為吸收線輪廓。原子吸收線輪廓以原子吸收譜線的中心頻率（或中心波長(zhǎng)(bchng)）和半寬度 表征。中心頻率由原子能級(jí)決定。半寬度是中心頻率位置，吸收系數(shù)極大值一半處，譜線輪廓上兩點(diǎn)之間頻率或波長(zhǎng)(bchng)的距離。第5頁(yè)/共49頁(yè)第六頁(yè)，共49頁(yè)。譜線具有一定的寬度，主要(zhyo)有兩方面的因素：一類是由原子性質(zhì)所決定的，例如，自然寬度；另一類是外界影響所引起的，例如，熱變寬、碰撞變寬等。（1），自然(zrn)寬度沒有外界影響，譜線仍有一定(ydng)的寬度稱為自然寬度。它與激發(fā)態(tài)原子的平均壽命有關(guān)，平均壽命越長(zhǎng)，譜線寬度越窄。不同譜線有不同的自然寬度，多數(shù)情況下約為10-5nm數(shù)量

4、級(jí)。kN21第6頁(yè)/共49頁(yè)第七頁(yè)，共49頁(yè)。(2)，多普勒變寬 由于輻射原子處于無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，輻射原子可以(ky)看作運(yùn)動(dòng)的波源。這一不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)與觀測(cè)器兩者間形成相對(duì)位移運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生多普勒效應(yīng)，使譜線變寬。這種譜線的所謂多普勒變寬，是由于熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，所以又稱為熱變寬，一般可達(dá)10-3nm，是譜線變寬的主要因素。0 LvkE2E1vkL 0 第7頁(yè)/共49頁(yè)第八頁(yè)，共49頁(yè)。 由于輻射原子與其它粒子（分子、原子、離子和電子等）間的相互作用而產(chǎn)生的譜線變寬，統(tǒng)稱為壓力變寬。壓力變寬通常隨壓力增大而增大。 在壓力變寬中，凡是同種粒子碰撞引起的變寬叫Holtzmark（赫爾茲馬克

5、）變寬；凡是由異種粒子引起的變寬叫Lorentz（羅倫茲）變寬。 此外，在外電場(chǎng)或磁場(chǎng)(cchng)作用下，能引起能級(jí)的分裂，從而導(dǎo)致譜線變寬，這種變寬稱為場(chǎng)致變寬。(3)，壓力(yl)變寬第8頁(yè)/共49頁(yè)第九頁(yè)，共49頁(yè)。主要(zhyo)內(nèi)容一、太陽(yáng)(tiyng)光譜二、譜線線寬及增寬三、吸收光譜(x shu un p)的特點(diǎn)四、發(fā)射光譜與吸收光譜的關(guān)系五、普通光譜與激光光譜六、基本吸收光譜原理七、飽和吸收光譜八、飽和吸收光譜穩(wěn)頻第9頁(yè)/共49頁(yè)第十頁(yè)，共49頁(yè)。1）靈敏度高2）準(zhǔn)確度高：3）干擾小，選擇性極好；4）測(cè)定范圍廣，可測(cè)70 種元素。不足：多元素同時(shí)測(cè)定有困難； 對(duì)非金屬及難熔元

6、素的測(cè)定尚有困難； 對(duì)復(fù)雜樣品(yngpn)分析干擾也較嚴(yán)重； 石墨爐原子吸收分析的重現(xiàn)性較差。三、吸收光譜(x shu un p)的特點(diǎn)第10頁(yè)/共49頁(yè)第十一頁(yè)，共49頁(yè)。主要(zhyo)內(nèi)容一、太陽(yáng)(tiyng)光譜二、譜線線寬及增寬三、吸收光譜(x shu un p)的特點(diǎn)四、發(fā)射光譜與吸收光譜的關(guān)系五、普通光譜與激光光譜六、基本吸收光譜原理七、飽和吸收光譜八、飽和吸收光譜穩(wěn)頻第11頁(yè)/共49頁(yè)第十二頁(yè)，共49頁(yè)。吸收光譜是基于“基態(tài)(j ti)原子”選擇性吸收光輻射能(h)，并使該光輻射強(qiáng)度降低而產(chǎn)生的光譜(共振吸收線)；發(fā)射光譜是基態(tài)原子受到熱、電或光能的作用，原子從基態(tài)躍遷至激發(fā)

7、態(tài)，然后再返回到基態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的光譜(共振(gngzhn)發(fā)射線和非共振(gngzhn)發(fā)射線)。四、發(fā)射光譜與吸收光譜(x shu un p)的關(guān)系第12頁(yè)/共49頁(yè)第十三頁(yè)，共49頁(yè)。主要(zhyo)內(nèi)容一、太陽(yáng)(tiyng)光譜二、譜線線寬及增寬三、吸收光譜(x shu un p)的特點(diǎn)四、發(fā)射光譜與吸收光譜的關(guān)系五、普通光譜與激光光譜六、基本吸收光譜原理七、飽和吸收光譜八、飽和吸收光譜穩(wěn)頻第13頁(yè)/共49頁(yè)第十四頁(yè)，共49頁(yè)。普通光譜(gungp)與激光光譜(gungp)第14頁(yè)/共49頁(yè)第十五頁(yè)，共49頁(yè)。第15頁(yè)/共49頁(yè)第十六頁(yè)，共49頁(yè)。普通(ptng)光譜與激光光譜經(jīng)典(jng

8、din)光譜學(xué)的光譜分辨率:取決于所用儀器設(shè)備的線寬如特大型光柵光譜儀或長(zhǎng)光路傅里葉光譜儀，所能達(dá)到(d do)的分辨率為0.01cm-1量級(jí)而商用設(shè)備的分辨率是0.1cm-1激光光譜的分辨率：取決于被測(cè)物質(zhì)的譜線寬度，一般光譜儀僅起一個(gè)濾波器的作用第16頁(yè)/共49頁(yè)第十七頁(yè)，共49頁(yè)。一般物質(zhì)(wzh)的自然線寬為幾MHz，二激光的理想頻寬100MHz,因此，無(wú)法測(cè)量自然線寬解決方法(fngf)：激光壓窄線寬，穩(wěn)頻另一方面要消除各種譜線展寬效應(yīng)(xioyng)，如壓力展寬、碰撞展寬、多普勒展寬等目前激光光譜分辨：是在lkHz的水平第17頁(yè)/共49頁(yè)第十八頁(yè)，共49頁(yè)。主要(zhyo)內(nèi)容一、

9、太陽(yáng)(tiyng)光譜二、譜線線寬及增寬三、吸收光譜(x shu un p)的特點(diǎn)四、發(fā)射光譜與吸收光譜的關(guān)系五、普通光譜與激光光譜六、基本吸收光譜原理七、飽和吸收光譜八、飽和吸收光譜穩(wěn)頻第18頁(yè)/共49頁(yè)第十九頁(yè)，共49頁(yè)。六、基本吸收光譜(x shu un p)原理第19頁(yè)/共49頁(yè)第二十頁(yè)，共49頁(yè)。如何(rh)求吸收系數(shù)？第20頁(yè)/共49頁(yè)第二十一頁(yè)，共49頁(yè)。第21頁(yè)/共49頁(yè)第二十二頁(yè)，共49頁(yè)。第22頁(yè)/共49頁(yè)第二十三頁(yè)，共49頁(yè)。第23頁(yè)/共49頁(yè)第二十四頁(yè)，共49頁(yè)。主要(zhyo)內(nèi)容一、太陽(yáng)(tiyng)光譜二、譜線線寬及增寬三、吸收光譜(x shu un p)的特點(diǎn)四

10、、發(fā)射光譜與吸收光譜的關(guān)系五、普通光譜與激光光譜六、基本吸收光譜原理七、飽和吸收光譜八、飽和吸收光譜穩(wěn)頻第24頁(yè)/共49頁(yè)第二十五頁(yè)，共49頁(yè)。七、飽和(boh)吸收光譜第25頁(yè)/共49頁(yè)第二十六頁(yè)，共49頁(yè)。實(shí)際的光譜線寬，是原子或分子自身的由能級(jí)(nngj)壽命決定，無(wú)法消除如何(rh)消除？第26頁(yè)/共49頁(yè)第二十七頁(yè)，共49頁(yè)。第27頁(yè)/共49頁(yè)第二十八頁(yè)，共49頁(yè)。第28頁(yè)/共49頁(yè)第二十九頁(yè)，共49頁(yè)。原子速度分布服從(fcng)麥克斯韋分布第29頁(yè)/共49頁(yè)第三十頁(yè)，共49頁(yè)。類似地我們可以(ky)求出能級(jí)2上的粒子數(shù)表達(dá)式第30頁(yè)/共49頁(yè)第三十一頁(yè)，共49頁(yè)。第31頁(yè)/共49

11、頁(yè)第三十二頁(yè)，共49頁(yè)。為了測(cè)量(cling)貝納特孔，我們第32頁(yè)/共49頁(yè)第三十三頁(yè)，共49頁(yè)。第33頁(yè)/共49頁(yè)第三十四頁(yè)，共49頁(yè)。第34頁(yè)/共49頁(yè)第三十五頁(yè)，共49頁(yè)。第35頁(yè)/共49頁(yè)第三十六頁(yè)，共49頁(yè)。第36頁(yè)/共49頁(yè)第三十七頁(yè)，共49頁(yè)。第37頁(yè)/共49頁(yè)第三十八頁(yè)，共49頁(yè)。第38頁(yè)/共49頁(yè)第三十九頁(yè)，共49頁(yè)。主要(zhyo)內(nèi)容一、太陽(yáng)(tiyng)光譜二、譜線線寬及增寬三、吸收光譜(x shu un p)的特點(diǎn)四、發(fā)射光譜與吸收光譜的關(guān)系五、普通光譜與激光光譜六、基本吸收光譜原理七、飽和吸收光譜八、飽和吸收光譜穩(wěn)頻第39頁(yè)/共49頁(yè)第四十頁(yè)，共49頁(yè)。主要內(nèi)容：

12、1、影響穩(wěn)頻的因素2、穩(wěn)頻方法(fngf)概述3、飽和吸收穩(wěn)頻八、飽和(boh)吸收光譜穩(wěn)頻第40頁(yè)/共49頁(yè)第四十一頁(yè)，共49頁(yè)。1、 影響頻率穩(wěn)定(wndng)的因素激光(jgung)諧振腔的共振頻率為：nLcq2 環(huán)境溫度的起伏、激光管的發(fā)熱及機(jī)械振動(dòng)都會(huì)引起諧振腔幾何長(zhǎng)度(chngd)的改變。溫度的變化、介質(zhì)中反轉(zhuǎn)集居數(shù)的起伏以及大氣的氣壓、濕度變化都會(huì)影響激光工作物質(zhì)及諧振腔裸露于大氣部分的折射率。：第41頁(yè)/共49頁(yè)第四十二頁(yè)，共49頁(yè)。 總結(jié)：腔長(zhǎng)變化(binhu)、折射率變化(binhu)都是影響頻率穩(wěn)定的因素以上(yshng)因素使腔長(zhǎng)L及折射率n都在一定范圍內(nèi)變化,當(dāng)L的變

13、化為L(zhǎng)，n的變化為n時(shí)，引起的頻率相對(duì)變化為)(nnLL 第42頁(yè)/共49頁(yè)第四十三頁(yè)，共49頁(yè)。2、穩(wěn)頻方法(fngf)概述 穩(wěn)頻的一般原理：采用負(fù)反饋電路控制激光(jgung)頻率穩(wěn)頻方法(fngf):被動(dòng)式與主動(dòng)式穩(wěn)頻穩(wěn)頻的實(shí)質(zhì)：保持n、L不變。第43頁(yè)/共49頁(yè)第四十四頁(yè)，共49頁(yè)。一. 被動(dòng)式穩(wěn)頻利用熱膨脹系數(shù)低的材料制做諧振腔的間隔器；或用膨脹系數(shù)為負(fù)值的材料和膨脹系數(shù)為正值的材料按一定(ydng)長(zhǎng)度配合1.穩(wěn)頻的原理:采用負(fù)反饋電路控制穩(wěn)頻技術(shù)。選取一個(gè)穩(wěn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，當(dāng)外界影響使激光頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)，鑒頻器給出誤差(wch)訊號(hào),通過(guò)負(fù)反饋電路去控制腔長(zhǎng)，使激光頻率自動(dòng)

14、回到標(biāo)準(zhǔn)頻率上。二.主動(dòng)式穩(wěn)頻第44頁(yè)/共49頁(yè)第四十五頁(yè)，共49頁(yè)。任務(wù)(rn wu)：a.提供標(biāo)準(zhǔn)頻率。b.頻率鑒別：當(dāng)激光器振蕩頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)，能夠鑒別出來(lái)。對(duì)鑒頻器的要求：a.中心頻率要穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)頻率不能有漂移。b.靈敏度要高，微小變化能鑒別。 鑒頻器的類型：以原子譜線本身作為鑒頻器以外界標(biāo)準(zhǔn)頻率做鑒頻器2.鑒頻器：是穩(wěn)頻的關(guān)鍵部件。第45頁(yè)/共49頁(yè)第四十六頁(yè)，共49頁(yè)。飽和吸收穩(wěn)頻即在諧振腔中（外）放入一個(gè)充有低氣壓氣體(qt)原子(或分子)的吸收管,它有和激光振蕩頻率配合很好的吸收線。吸收管內(nèi)氣壓很低,通常只有11OPa。低壓氣體(qt)吸收峰的頻率很穩(wěn)定,因此頻率復(fù)現(xiàn)性好。圖4-12 飽和吸收法穩(wěn)頻的裝置示意圖