光譜學(xué)基礎(chǔ)知識

光譜學(xué)基礎(chǔ)知識第一頁，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。光子具有角動量，在光與物質(zhì)相互作用時要遵守角動量守恒定律。當(dāng)用偏振光與原子或分子相互作用時，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，是指在不同空間點上和不同時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間內(nèi)維持不變，則光強可以寫成

兩束光相干如果在觀察時間內(nèi)隨機變化，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(nèi)的光場是相干的。在相干時間內(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(zhì)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(zhuǎn)動的系統(tǒng)，原子實的質(zhì)量很大，可將電子的轉(zhuǎn)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(gòu)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E與x成正比，輻射場強衰減，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

外加光場對原子的作用：原子將作受迫振蕩。設(shè)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，會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。誘導(dǎo)極化強度P與電場強度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(dāng)外界輻射場頻率和相應(yīng)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?！贪l(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(fù)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(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(zhuǎn)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(nèi)不同振動能級間，近紅外區(qū)域

轉(zhuǎn)動光譜：同一電子態(tài)和振動態(tài)的不同轉(zhuǎn)動能級間躍遷遠紅外至微波區(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(yīng)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(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)光原子相對于觀察者（檢測器）運動而產(chǎn)生的一種光波頻移現(xiàn)象?？紤]光子沿z方向傳播，為正時，即當(dāng)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

第十四頁，