第二章電磁波譜

第二章電磁波譜第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)電磁波的基本概念和性質(zhì)一、基本概念二、電磁波的特性第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念電磁波電磁輻射波速波長周期頻率振幅初相位第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波是交變電磁場在空間的傳播，它是物質(zhì)運動，能量傳遞的一種特殊形式.電磁輻射電磁波能量的傳遞過程（包括輻射、吸收、透射等現(xiàn)象）波粒二象性電磁輻射具有波動性和粒子（量子）性兩方面特征。波速波在單位時間內(nèi)傳播距離。電磁波在真空中的傳播速度為每秒3108米/秒（每秒30萬公里），通常用C表示。第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月波長：是在同一波線上兩個相位差為2

的質(zhì)點之間的距離，即一個完整波的長度，以C表示周期：以任點開始，振動傳播一個波長所需的時間，以T表示。頻率：單位時間內(nèi)波動前進過程中所包含的波數(shù)，以表示振幅：振動點離開平衡位置兩邊的最大位移。以A表示，也稱強度初相位：波形的時間提前或延后量以表示。第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月二、電磁波的特性電磁波疊加干涉衍射偏振多普勒效應(yīng)色散波粒二象性第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波疊加當(dāng)振動方向和振動頻率均不同的多列電磁波在空間相遇時，相遇點的復(fù)合振動等于各列波在該點的矢量和，而在其它位置各列波仍保持原有的特征（振動方向、頻率等保持不變），因此，波的傳播是獨立的.干涉兩列頻率、振動方向、相位都相同或相位差恒定的電磁波疊加時，某些部位振動永遠加強，而另一些部位的振動永遠減弱或完全抵消的現(xiàn)象，稱為電磁波的干涉衍射如果電磁波投射擊在一個它不能透過的有限大小的障礙物上，將會有一部分波從障礙物的邊界外通過，這部分波在超越障礙物時，會改變方向繞過其邊緣而達到障礙物后面的陰影區(qū)第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月偏振通常電場強度在各方向（垂直于傳播方向的平面上）是相等的，若其總是固定在某個方向振動，則稱電磁波在該方向被極化（偏振）。依電場強度與入射面（通常是地表面）的關(guān)系為水平極化（H）和垂直極化（V），水平極化兩者相互垂直，垂直極化兩者互相平行——一般可見近紅外波段稱偏振，微波波段稱極化。多普勒效應(yīng)當(dāng)一個頻率為f的電磁輻射源向著,或背著觀察者運動時，則觀察者從這個源所接收到的輻射將具有另一個頻率f‘。如果輻射源向觀察者運動，f‘大于f，如果背離觀察者運動，則f‘小于f。第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月色散當(dāng)進入介質(zhì)時，不同波長的光波在同一介質(zhì)中的波速就有差異而分解。波粒二象性波動性－－主要表現(xiàn)為電磁波有干涉、衍射、偏振、散射等現(xiàn)象。粒子性－－電磁波實質(zhì)上是光子微粒流的有規(guī)律的運動，主要表現(xiàn)為電磁輻射的光電效應(yīng)、光化學(xué)作用等現(xiàn)象。較短波長的電磁波主要表現(xiàn)出粒子性，波長越短，粒子性表現(xiàn)愈明顯；而長波電磁波則主要表現(xiàn)出波動性第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)電磁波譜及其產(chǎn)生機理一、電磁波譜的概念二、電磁波譜的產(chǎn)生的物理機制第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月一、電磁波譜的概念電磁波譜將各種電磁波按其波長的（頻率）大小，依次排列成圖表，這個圖表就叫電磁波譜。電磁波是粒子（電子、原子、分子等）發(fā)生能級躍遷時產(chǎn)生的，到當(dāng)粒子從較高能級躍遷到較低能級時發(fā)射電磁波；反之，形成吸收電磁波。不同的粒子，發(fā)生不同的能級躍遷，產(chǎn)生不同能量，也就是不同波長的電磁波。第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月二、電磁波譜的產(chǎn)生的物理機制玻爾理論原子光譜分子光譜晶體光譜第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月玻爾理論氫原子光譜：一個質(zhì)子和一個電子組成實驗證實：紫外——可見光——紅外均出現(xiàn)氫原子光譜，由不同線系組成。每一線系內(nèi)，譜線排列的間隔和強度均朝短波方向有規(guī)律地遞減。波長經(jīng)驗公式為：用波數(shù)表示為：R為理德伯常數(shù)第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

1）原子存在于一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)（定態(tài)），每一定態(tài)與一定的能量相對應(yīng)。定態(tài)下不產(chǎn)生輻射。2）原子定態(tài)是有限制的。電子動量矩的整數(shù)倍的軌道才存在，即：上式稱主量子化條件；n=1,2,3,…正整數(shù)，稱主量子數(shù)；普朗克量子數(shù)3）原子只有從一個能量為E’的定態(tài)躍遷到另一個參量為E”的定態(tài)時才發(fā)射或吸收電磁輻射，其頻率為：第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月氫原子半徑氫原子中的電子（帶一個-e電荷）半徑為r的圓形軌道上圍繞原子核（+Ze）運動時受兩個力作用：離心力及核對它的庫侖引力，二者大小相等：根據(jù)玻爾理論得：未激發(fā)基態(tài)半徑：激發(fā)基態(tài)半徑：第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月氫原子量子化定態(tài)能量電子在半徑為r的軌道上的勢能為：；動能為：總能量為：定態(tài)能量為：發(fā)生級躍遷時，輻射光子的波數(shù)為：與經(jīng)驗公式完全一致第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月其它原子要復(fù)雜原子核質(zhì)子、電子多橢圓形軌道第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月原子光譜原子核能級間躍遷:原子核能級間躍遷能量數(shù)量級：產(chǎn)生的光子：γ射線內(nèi)層電子能級間躍遷：能量數(shù)量級：產(chǎn)生的光子：X射線外層電子的躍遷:能量數(shù)量級幾至數(shù)十產(chǎn)生紫外線、可見光和近紅外線第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月分子光譜分子光譜：分子內(nèi)部的電子運動比原子內(nèi)部的電子運動復(fù)雜得多，除了電子躍遷外，還有分子內(nèi)原子的振動與整個分子的轉(zhuǎn)動分子與原子一樣也有它的特征的分子能級圖，因此可以產(chǎn)生分子光譜。第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月分子光譜分子的能量E為：E=Ee+Ev+ErEe：電子能級的能量，其數(shù)量級在1~20eV之間。Ev：振動能級的能量，其數(shù)量級在0.05~1eV之間。Er：轉(zhuǎn)動能級的能量，其數(shù)量級在10-4~0.05eV之間。第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月HHOOHHOHHλ=2.738μmλ=2.663μm不同的振動方式，產(chǎn)生不同波長的光子水蒸汽分子鍵長不同變化產(chǎn)生不同的部分振動光譜：λ=6.270μm第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體光譜晶體中的吸收與發(fā)射光譜遠比原子與分子復(fù)雜，產(chǎn)生的是連續(xù)光譜，其光譜范圍大約在紅外區(qū)3~30μm。第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波譜的劃分及各譜段的特性一、電磁波譜的劃分二、各譜段的特性(２)第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月一、電磁波譜的劃分波長范圍不同的電磁波具有不同的特點。電磁波譜的劃分主要是根據(jù)不同波長電磁波的特性來進行的。第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月二、各譜段的特性宇宙射線r—射線x—射線紫外線可見光紅外線微波第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月宇宙射線波長<10-8um，是來自宇宙天體具有很大能量和貫穿能力的電磁皮，人工還無法能產(chǎn)生。遙感上了未能用得上的波段。r—射線10-8—10-6um,是能量很高的波段。航空物探放射性測量所記錄的就是由含放射性元素的礦物所輻射出來的射線。x—射線波長10-6—10-2um

，宇宙中來的—射線，被大氣層全部吸收，不能用于遙感工作。第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月波長0.01—0.３８um。波長小于0.28微米的紫外線；主要產(chǎn)生于內(nèi)層電子躍遷被臭氧層及其它成份吸收。只有波長0.28—0.38的紫外線，能部分穿地大氣層，但散射嚴重，只有部分投射到地面，并使感光材料所感應(yīng)，可作為遙感工作波段，稱為攝影紫外?，F(xiàn)已開始用于監(jiān)測氣體污染及水體的油污染。紫外線第29頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月波長0.38—0.76um是人眼可見，可以用棱鏡分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種色光;在太陽輻射能中所占比例高；能透過大氣層；外層電子躍遷產(chǎn)生而地面物體對七色光多具有其特征的反射和吸收特性,故信息量最大；可以用攝影、掃描等各種方式成像，是遙感最常用的波段?？梢姽獠ǘ蔚倪b感技術(shù)最成熟，但仍然有很大潛力。當(dāng)前分辨能力最好的遙感資料，仍然是在可見光波段內(nèi)?？梢姽獾?0頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月波長0.77—1000(um)?？煞譃榻t外波段（0.76—3um），中紅外（3—6um），遠紅外（6—15um），超遠紅外（15—1000um）近紅外波段是地表層反射太陽的紅外輻射，故又稱反射紅外。其中靠近可見光紅光的0.76—1.3um波段可使膠片感光，故又稱攝影紅外。而中遠紅外是地表物體發(fā)射的紅外線，反映物體的熱特征，故稱熱紅外。熱紅外只能用掃描方式，經(jīng)過光電信號的轉(zhuǎn)換才能成象。主要為分子光譜超遠紅外，處于非大氣窗口（大氣屏障）紅外是一個很有發(fā)展?jié)摿Φ倪b感波段。紅