光學(xué)與光譜學(xué)

光學(xué)與光譜學(xué)第一頁，共八十頁，2022年，8月28日光學(xué)定義：光學(xué)是研究光的傳播以及它和物質(zhì)相互作用問題的學(xué)科。光學(xué)的研究對(duì)象、地位和特點(diǎn)：光是一種重要的自然現(xiàn)象光學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要分支光學(xué)學(xué)科是一門應(yīng)用性極強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科第二頁，共八十頁，2022年，8月28日光的本質(zhì)（1）古代元?dú)庹f（公元前400多年的《墨經(jīng)》）光，即火?；饘傥逍兄?，五行生于元?dú)猓使馍谠獨(dú)狻０l(fā)光謂之吐氣，受光謂之含氣。（2）牛頓（Isaac.Newton）的微粒說（17世紀(jì)）光是一種高速運(yùn)動(dòng)著的微粒流。微粒說能夠很好地解釋光在均勻介質(zhì)中的直線傳播以及在兩種介質(zhì)分界面上的反射定律，但在解釋折射現(xiàn)象時(shí)，會(huì)得出與實(shí)際情況相反的結(jié)果，并且微粒說也不能解釋光的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。第三頁，共八十頁，2022年，8月28日（3）惠更斯（C.Huygens）的波動(dòng)說

光是在充滿整個(gè)空間的特殊介質(zhì)“以太”中傳播的某種彈性波，因此服從波動(dòng)的傳播規(guī)律——惠更斯原理。利用惠更斯原理不僅能夠正確解釋光的直線傳播和反射定律，也能夠正確解釋光的折射定律以及雙折射現(xiàn)象。（4）楊氏（T.Young）雙縫干涉實(shí)驗(yàn)與波動(dòng)學(xué)說的重新興起。

分別通過兩個(gè)縫的兩束光在屏幕上的重疊區(qū)域內(nèi)形成一組明暗相間的條紋。包涵了光波波長(zhǎng)的概念，并初步測(cè)定出了光波波長(zhǎng)的大小。。第四頁，共八十頁，2022年，8月28日第五頁，共八十頁，2022年，8月28日（5）菲涅耳（）對(duì)光的波動(dòng)說的貢獻(xiàn)設(shè)計(jì)了雙平面鏡和雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了楊氏關(guān)于雙縫干涉現(xiàn)象解釋的正確性；發(fā)現(xiàn)并解釋了菲涅耳衍射；總結(jié)出了菲涅耳公式及方程第六頁，共八十頁，2022年，8月28日第七頁，共八十頁，2022年，8月28日（6）麥克斯韋電磁理論（19世紀(jì)60年代初）麥克斯韋（）的貢獻(xiàn)：得出了著名的麥克斯韋方程組，預(yù)言出電磁波的存在，并推算出電磁波在真空中的傳播速度與測(cè)量得到的光速值極為接近，進(jìn)一步預(yù)言光是一種電磁波動(dòng)，誕生了光的電磁理論。電磁波的實(shí)驗(yàn)證實(shí)：赫茲（）通過一系列實(shí)驗(yàn)于1888年證實(shí)了電磁波的存在。第八頁，共八十頁，2022年，8月28日

麥克斯韋電磁理論的缺陷：假定光波是通過“以太”傳播的。為了尋找“以太”介質(zhì)，邁克爾遜（）和莫雷（）于1887年設(shè)計(jì)出了一臺(tái)精密干涉儀，試圖以此觀察地球相對(duì)“以太”的運(yùn)動(dòng)。結(jié)論：通過任何實(shí)驗(yàn)都不可能觀察到地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的任何效應(yīng)。

第九頁，共八十頁，2022年，8月28日1905年，愛因斯坦（A.Einstein）發(fā)表了著名的狹義相對(duì)論。徹底否定了“以太”的存在；同時(shí)還假設(shè)，光在真空中始終以恒定的速度傳播，與光源或觀察者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。第十頁，共八十頁，2022年，8月28日（7）電磁波動(dòng)學(xué)說的困境

對(duì)于黑體輻射和光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，無論采用任何假設(shè)，只要是以電磁理論為前提，所得結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾。（8）量子論的提出

普朗克（M.Planck）的黑體輻射公式愛因斯坦的光電效應(yīng)方程“光子（photon）”概念的提出（9）光的本質(zhì)的再認(rèn)識(shí)激光與新效應(yīng)光是一種特殊的粒子，具有波粒二象性。第十一頁，共八十頁，2022年，8月28日現(xiàn)代光學(xué)傳統(tǒng)光學(xué)的研究對(duì)象：以望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、光譜儀、干涉儀、照相機(jī)等為代表的各種光學(xué)儀器及其在精密測(cè)量、光譜分析以及成像等方面的應(yīng)用?，F(xiàn)代光學(xué)的重要標(biāo)志：激光技術(shù)，信息光學(xué)，非線性光學(xué)，波導(dǎo)光學(xué)第十二頁，共八十頁，2022年，8月28日激光器的發(fā)明激光名稱的由來：lightamplificationbystimulatedemissionofRadiation（受激輻射激發(fā)的光放大），縮寫為L(zhǎng)ASER。故最初的中文名稱音譯為“鐳射”“萊塞”。1964年由錢學(xué)森教授取名為“激光”。愛因斯坦的預(yù)言（1916）：在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級(jí)上，高能級(jí)上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會(huì)從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)上，相應(yīng)地會(huì)輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光——受激輻射。在一定條件，如果能使原子和分子的受激輻射去激發(fā)其它粒子，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大效果，就可能獲得單色性極強(qiáng)的輻射。第十三頁，共八十頁，2022年，8月28日光譜學(xué)光譜學(xué)是光學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，研究物質(zhì)的光譜的產(chǎn)生及其同物質(zhì)之間的相互作用。光譜是電磁輻射按照波長(zhǎng)的有序排列。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件的不同，各個(gè)輻射波長(zhǎng)都具有各自的特征強(qiáng)度。通過光譜研究，人們可以得到原子、分子等的能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能的知識(shí)。光譜學(xué)本身是一門科學(xué)，同時(shí)它也是一種科學(xué)手段。第十四頁，共八十頁，2022年，8月28日THZ第十五頁，共八十頁，2022年，8月28日光譜的分類頻率

X射線衍射，紫外-可見吸收光譜儀，紅外吸收光譜儀……電磁波傳播和接收方式衍射、散射、透射、吸收和發(fā)射光譜第十六頁，共八十頁，2022年，8月28日紫外-可見吸收光譜紫外吸收光譜和可見吸收光譜都屬于分子光譜，他們是由于價(jià)電子的躍遷產(chǎn)生的。利用物質(zhì)的分子或離子對(duì)紫外和可見光的吸收所產(chǎn)生的紫外可見吸收程度可以對(duì)物質(zhì)的組成、含量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、測(cè)定和推斷。第十七頁，共八十頁，2022年，8月28日第十八頁，共八十頁，2022年，8月28日1、光源：提供入射光裝置。鎢燈（350-1000nm）和氘燈（180-360nm）。2、單色器：是將光源輻射的復(fù)合光分成單色光的光學(xué)裝置。單色器一般由狹縫、色散元件和透鏡系統(tǒng)組成，其中色散元件是單色器的核心部件，最常見的色散元件是棱鏡和光柵。第十九頁，共八十頁，2022年，8月28日3、吸收池：是用于成裝被測(cè)量溶液的裝置。一般可見光區(qū)使用玻璃吸收池，紫外區(qū)用石英吸收池（規(guī)格有很多）。4、檢測(cè)器：檢測(cè)器是將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置（硒光電池、光電管、光電倍增管和CCD）第二十頁，共八十頁，2022年，8月28日第二十一頁，共八十頁，2022年，8月28日第二十二頁，共八十頁，2022年，8月28日第二十三頁，共八十頁，2022年，8月28日第二十四頁，共八十頁，2022年，8月28日第二十五頁，共八十頁，2022年，8月28日第二十六頁，共八十頁，2022年，8月28日紅外吸收光譜儀（中）紅外吸收光譜：當(dāng)一束具有連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光通過物質(zhì)，物質(zhì)分子中某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和紅外光的頻率一樣時(shí)，分子就吸收能量由原來的基態(tài)振(轉(zhuǎn))動(dòng)能級(jí)躍遷到能量較高的振(轉(zhuǎn))動(dòng)能級(jí)，分子吸收紅外輻射后發(fā)生振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，該處波長(zhǎng)的光就被物質(zhì)吸收。所以，紅外光譜法實(shí)質(zhì)上是一種根據(jù)分子內(nèi)部原子間的相對(duì)振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)等信息來確定物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和鑒別化合物的分析方法。將分子吸收紅外光的情況用儀器記錄下來，就得到紅外光譜圖。第二十七頁，共八十頁，2022年，8月28日第二十八頁，共八十頁，2022年，8月28日第二十九頁，共八十頁，2022年，8月28日第三十頁，共八十頁，2022年，8月28日第三十一頁，共八十頁，2022年，8月28日第三十二頁，共八十頁，2022年，8月28日儀器原理圖第三十三頁，共八十頁，2022年，8月28日第三十四頁，共八十頁，2022年，8月28日第三十五頁，共八十頁，2022年，8月28日第三十六頁，共八十頁，2022年，8月28日拉曼散射光譜Ramanscatteringspectroscopy

某一頻率的單色光經(jīng)介質(zhì)散射后出現(xiàn)其他頻率散射光，且散射光頻率與入射光頻率之差和散射介質(zhì)的某兩能級(jí)差相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象。第三十七頁，共八十頁，2022年，8月28日拉曼散射（Ramanscattering），光通過介質(zhì)時(shí)由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)相互作用而引起的頻率發(fā)生變化的散射。又稱拉曼效應(yīng)。1923年A.G.S.斯梅卡爾從理論上預(yù)言了頻率發(fā)生改變的散射。1928年，印度物理學(xué)家C.V.拉曼在氣體和液體中觀察到散射光頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。拉曼散射遵守如下規(guī)律：散射光中在每條原始入射譜線(頻率為v0)兩側(cè)對(duì)稱地伴有頻率為v0±vi(i＝1，2，3，…）的譜線，長(zhǎng)波一側(cè)的譜線稱紅伴線或斯托克斯線，短波一側(cè)的譜線稱紫伴線或反斯托克斯線；頻率差vi

與入射光頻率v0無關(guān)，由散射物質(zhì)的性質(zhì)決定，每種散射物質(zhì)都有自己特定的頻率差，其中有些與介質(zhì)的紅外吸收頻率相一致第三十八頁，共八十頁，2022年，8月28日第三十九頁，共八十頁，2022年，8月28日拉曼分類自發(fā)拉曼（SpontaneousRamanscattering）共振拉曼（ResonanceRamanscattering）表面增強(qiáng)拉曼（surface-enhancedRamanscattering）受激拉曼(StimulatedRamanscattering)相干反斯托科斯拉曼（coherentanti-StokesRamanscattering）第四十頁，共八十頁，2022年，8月28日拉曼光活性光譜（Ramanopticalactivity）針尖拉曼（Tip-enhancedRamanspectroscopy）應(yīng)用廣泛：在化學(xué)、材料、物理、高分子、生物、醫(yī)藥、地質(zhì)、考古等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。第四十一頁，共八十頁，2022年，8月28日第四十二頁，共八十頁，2022年，8月28日Ramanmicrospectroscopysystem第四十三頁，共八十頁，2022年，8月28日Highpressuretechniquesandapplications第四十四頁，共八十頁，2022年，8月28日Index1、In-situhigh-pressuretechniques2、HighpressureRamaninvestigationsonFermiresonance3、Highpressureinvestigationsonπ-πandCH-πinteraction

第四十五頁，共八十頁，2022年，8月28日1、In-situhigh-pressuretechniques

P-T-XThreedimensionsinscienceWaterhas20phasesinthepressurerangebetween0to300GPa,at0.03-6000K.第四十六頁，共八十頁，2022年，8月28日第四十七頁，共八十頁，2022年，8月28日第四十八頁，共八十頁，2022年，8月28日Diamondwindowsonmaterials1.Superconductivity2.Weakinteractions3.Hydrogenstorage4.Metalization5.Superhardmaterials6.Amorphous7.Geologicalsimulation第四十九頁，共八十頁，2022年，8月28日Diamondanvilcell第五十頁，共八十頁，2022年，8月28日Diamondcell第五十一頁，共八十頁，2022年，8月28日Apparatusforextremeconditiongeneration

第五十二頁，共八十頁，2022年，8月28日第五十三頁，共八十頁，2022年，8月28日In-situhighpressureequipments第五十四頁，共八十頁，2022年，8月28日2、HighpressureRamaninvestigationsonFermiresonancebiphenyl,benzene,CCl4,CS2,4,4’biphydineWeakFermiresonance:P-trephenyl,2,2’bipyridine第五十五頁，共八十頁，2022年，8月28日2、HighpressureRamaninvestigationontheFermiresonanceofbiphenylRamanspectraofbiphenylhavebeenobtainedtopressuresof15GPa.Theresultsindicatedthatwiththeincreaseofpressure,theeffectofinter-andintra-molecularπ-πconjugationanddelocationincreases,intensityenhancementoftheRamanbands,accompanybytheblueshiftofthefrequency.Intensityratio(Rf/a)ofTwoFermiresonancebandsυ6’+υ1’andυ8’decrease,andthefrequencydistance?increasewiththepressure,theFermiresonancephenomenondisappearedwhenthepressureisupto8GPa.UsingJ.F.Bertrantheory,weobtainedtherelationshipoftheinherentfrequencydistance?0andcouplingcoefficientωwithpressure.Thisphenomenonwasexplainedbyhigh-pressurephasetransitionmethods.ThemechanicofhighpressureinduceFermiresonanceweakenwasalsodiscussed.第五十六頁，共八十頁，2022年，8月28日Ramanspectraofbenzeneandbiphenyl第五十七頁，共八十頁，2022年，8月28日Ramanmodeslocatedat1280and248cm-1第五十八頁，共八十頁，2022年，8月28日Ramanmodeslocatedat998and1024cm-1第五十九頁，共八十頁，2022年，8月28日Fermiresonanceasafunctionofpressure第六十頁，共八十頁，2022年，8月28日第六十一頁，共八十頁，2022年，8月28日Fermiresonanceofbiphenylundercompression第六十二頁，共八十頁，2022年，8月28日J(rèn).Phys.Chem.B,Vol.108,4178,2004Muruganet第六十三頁，共八十頁，2022年，8月28日Theamplitudeofthetorsionalmotiondecreasessignificantlywithincreaseinpressureupto0.8GPa,butbeyond,thisitdecreasesonlymarginally.Thedecreaseinthedihedralanglebetweentwophenylringscausesgreateroverlapofthepielectronsandthisleadstothecontinuallyintensityenhancement.第六十四頁，共八十頁，2022年，8月28日第六十五頁，共八十頁，2022年，8月28日第六十六頁，共八十頁，2022年，8月28日Reference周密*,張鵬,劉鐵成,許大鵬,姜永恒,高淑琴里佐威.壓強(qiáng)對(duì)苯分子費(fèi)米共振的影響.物理學(xué)報(bào)2010,59,210-214.劉鐵成,周密,高淑琴,里佐威,李占龍,張鵬,李亮,呂天全,許大鵬.PhaseTransitioninCCl4underPressure:aRamanSpectroscopicStudy.Chinesephysicsletter.2009,26,070701.

周密,李占龍,陸國(guó)會(huì),李東飛,孫成林,高淑琴,里佐威.高壓拉曼光譜方法研究聯(lián)苯分子費(fèi)米共振.物理學(xué)報(bào)(inpress)第六十七頁，共八十頁，2022年，8月28日3、Highpressureinvestigationsonπ-πandCH-πinteractionMeso-substituteporphyrinAromaticcompounds(benzene,biphenyl,naphthalene,aniline,N-phenylaniline,4,4’biphyridine,2,2’biphyridine)Supermolecularcompounds(Squaricacidand4,4’-bipyridine1:1adduction)第六十八頁，共八十頁，2022年，8月28日第六十九頁，共八十頁，2022年，8月28日3、highpressureRamaninvestigationsonporphyrinJ-aggregates第七十頁，共八十頁，2022年，8月28日RamanspectrumofTppJ-aggregatesatdifferentpressures第七十一頁，共八十頁，2022年，8月28日第七十二頁，共八十頁，2022年，8月28日第七十三頁，共八十頁，2022年，8月28日HOMO-1160AU-0.19206HOMO161BU-0.18079DFTB3LYP3-21G*15751539第七十四頁，共八十頁，2022年，8月28日第七十五頁，共八十頁，2022年，8月28日MorphologyofTppJ-aggregatesandtheproposedmodeofmolecularspringwashers.第七十六頁，共八十頁，2022年，8月28日Reference[1].

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