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(shí)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(gè)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(duì)物體的作用后，發(fā)光現(xiàn)象還會(huì)持續(xù)一定的時(shí)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(gè)個(gè)分立的軌道繞核旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電子在確定的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子具有確定的能量。電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道，原子或分子就從一個(gè)能態(tài)躍變到另一能態(tài)，同時(shí)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(gè)定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，會(huì)發(fā)射或吸收一個(gè)光子，頻率

輻射頻率公式每一個(gè)輻射光子稱作一個(gè)波列每個(gè)波列持續(xù)時(shí)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(shí)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(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷發(fā)出遠(yuǎn)紅外輻射；振動(dòng)能級(jí)間的躍遷發(fā)出中紅外輻射；而電子能級(jí)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(shí)，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(duì)光的吸收很少，而且光吸收量與波長(zhǎng)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(zhǎng)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(hào)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(chǎng)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(gè)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(cè)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(shí)才成立。

光的反射、散射、溫度、時(shí)間、壓力等都會(huì)對(duì)比爾定律產(chǎn)生影響。朗伯定律始終成立，但比爾定律有時(shí)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(shí)，利用介質(zhì)對(duì)光的吸收作用因波長(zhǎng)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(zhǎng)區(qū)域相對(duì)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(duì)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(cè)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(duì)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(zhǎng)，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(huì)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(cè)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(shí)，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(zhǎng)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(duì)于給定的介質(zhì)而言，折射率n是波長(zhǎng)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(cè)得不同波長(zhǎng)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(duì)不同波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)越短，折射率n越大；波長(zhǎng)

越短，色散率

越大；波長(zhǎng)

很長(zhǎng)時(shí)，折射率n趨于定值；不同物質(zhì)的色散曲線沒有簡(jiǎn)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(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系：

式中

為真空中的波長(zhǎng)，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(cè)定。當(dāng)波長(zhǎng)變化范圍不大時(shí)，上式可簡(jiǎn)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(zhǎng)的增加而減小，與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)，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(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，都會(huì)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(shí)，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(dòng)，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(dòng)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(shí)，散射會(huì)使透射光的強(qiáng)度減弱，當(dāng)僅考慮散射時(shí)，透射光遵從指數(shù)衰減規(guī)律：

實(shí)際上介質(zhì)對(duì)光的吸收和散射同時(shí)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(shí)，密度漲落很大，在光線照射下會(huì)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(shí)的太陽傍晚時(shí)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(gè)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(zhǎng)較短的藍(lán)、紫色光所受到的散射，要比波長(zhǎng)較長(zhǎng)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(shí)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(duì)光的散射時(shí)，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(zhǎng)不同于入射光的波長(zhǎng)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(jiǎng)。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(shí)具有能量Ei的原子數(shù)在能級(jí)E1和E2的原子數(shù)之比

在能級(jí)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(shí)，高能級(jí)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(duì)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(jí)系統(tǒng)

四能級(jí)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(chǎng)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(cè)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(hào)處理激光視力測(cè)試激光美容激光手術(shù)材料加工通訊技術(shù)時(shí)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