1、現場光譜儀, 高光譜成像光譜儀, 產生光譜吸收的機理Alexander F. H. GoetzUniversity of Colorado and Analytical Spectral Devices I光譜學的根底實際反射率 儀器真正丈量的是輻射亮度L211ELWm srmLE反射率(2) 適用上, 運用光譜儀丈量白板作為參比，比如Spectralon, which is sintered PFTE (polytetrafluoroethene)(Teflon) 白板的反射率在400-2500nm范圍內接近100% 儀器內部, 把從樣品和白

2、板上丈量得到的輻射照度相除得到以波長為函數的反射率ASD Spectrometers andSpectroradiometers通常所運用的儀器通常所運用的儀器FieldSpec ProTerraSpec高密度探頭 阿根廷7000 m00.70.85001000150020002500Leaves on SpectralonReflectanceWavelength, nm產生光譜吸收的過程產生光譜吸收的過程 電子躍遷要素電子躍遷要素 電子與晶格之間的相互作用電子與晶格之間的相互作用 基團振動要素基團振動要素 分子振動分子振動 根本振動根本振動 倍頻諧波倍頻

3、諧波 能夠的組合振動能夠的組合振動電子躍遷要素電子躍遷要素 晶體場效應晶體場效應 電荷遷移電荷遷移 半導體半導體 色心色心晶體場效應晶體場效應 離子能級離子能級 晶格中的分裂和電子置換晶格中的分裂和電子置換 取決于取決于 化合價形狀化合價形狀 配位數和對稱性配位數和對稱性 反射光譜反射光譜 根本取決于礦物形狀而不是陽離子形狀根本取決于礦物形狀而不是陽離子形狀 特征吸收的深度與顆粒尺寸相關特征吸收的深度與顆粒尺寸相關典型晶格效應典型晶格效應-電子要素電子要素 鐵最重要鐵最重要 豐度最大的金屬豐度最大的金屬 Fe2+ , Fe3+ 能夠轉換能夠轉換 Mg2+ Al3+紅寶石紅寶石, Al2O3 +

4、 Cr+綠寶石綠寶石, Be3Al2Si6O18 + Cr+鐵礦石中的電子遷移鐵礦石中的電子遷移纖鐵礦纖鐵礦Ferrihydrite磁赤鐵礦磁赤鐵礦針鐵礦針鐵礦赤鐵礦赤鐵礦電荷遷移電荷遷移 電子從一個原子遷移到另一個原子電子從一個原子遷移到另一個原子 Fe-O 遷移對應于遷移對應于UV波段反射率下降波段反射率下降半導體半導體 反射光譜中的吸收邊緣反射光譜中的吸收邊緣 由于禁帶寬度呵斥由于禁帶寬度呵斥 進入的電子必需具有足夠的能量才可以進入導進入的電子必需具有足夠的能量才可以進入導帶帶 對應于帶寬能量的反射率明顯地添加對應于帶寬能量的反射率明顯地添加顏色聚集顏色聚集 構造缺陷捕獲的電子，例如離子

5、缺失構造缺陷捕獲的電子，例如離子缺失 螢石螢石 (CaF2) 中，顏色的聚集是由于一個鐵離中，顏色的聚集是由于一個鐵離子缺失而被一個電子填充所呵斥的結果子缺失而被一個電子填充所呵斥的結果 產生的躍遷形狀導致了紅綠吸收，構成了紫色產生的躍遷形狀導致了紅綠吸收，構成了紫色振動過程振動過程 根本振動根本振動 對于固體物質對于固體物質, 通常產生于通常產生于2.5 m之外之外 Si-O, Al-O 發生在發生在10 m波段波段, 在近紅外和近紅外在近紅外和近紅外短波段沒有效應短波段沒有效應 OH, H2O, CO3 發生在發生在2.6-6 m波段波段, 在近紅外在近紅外和近紅外短波段可以可到其諧波和組

6、合振動和近紅外短波段可以可到其諧波和組合振動 3N- 6個能夠的自在度個能夠的自在度 H2O 在在2.66, 2.74, 6.08 m具有具有 3個根本振動形個根本振動形狀狀謝波和組合振動謝波和組合振動 諧波諧波 根本頻率的倍頻根本頻率的倍頻 2 1, 3 2, . 組合振動組合振動 根本頻率或者諧波頻率的和或者差根本頻率或者諧波頻率的和或者差 1 + 2 , 2 1 + 3, 1 + 2 + 3, . 頻率的和而不是波長相加頻率的和而不是波長相加 頻率的單位頻率的單位 cm-1 2.5 m = 4000 cm-1,cc,cc水蒸氣水蒸氣 根本吸收根本吸收1 = 3657.05 cm-1 =

7、2.734 m對稱伸展振動對稱伸展振動 2 = 1594.75 cm-1 = 6.271 m彎曲振動彎曲振動3 = 3755.93 cm-1 = 2.662 m非對稱伸展振非對稱伸展振動動 重要的水吸收帶重要的水吸收帶2 + 3 = 1.865 m1 + 3 = 1.379 m1 + 2 + 3 = 1. m 21 + 3 = 0.942 m液態水液態水 根本吸收根本吸收1 = 3219.57 = 3.106 m2 = 1644.74 = 6.08 m3 = 3444.71 = 2.903 m氫氧基氫氧基 根本吸收根本吸收 2.77 m 伸展振動伸展振動 準確的特征吸收位置取決于氫氧根所處的位

8、置準確的特征吸收位置取決于氫氧根所處的位置 諧波諧波 2 1.4 m 在陸地物質吸收光譜中最為常見在陸地物質吸收光譜中最為常見 組合振動組合振動 Al 或者或者 Mg - OH 彎曲方式彎曲方式 在在2.2 & 2.3 m 范圍具有特征吸收范圍具有特征吸收常見吸收特征的光譜特點常見吸收特征的光譜特點特征物特征物吸收位置吸收位置Fe3+ 0.4 - 0.6 m, 0.66 m, 0.85 0.95 mAl - OH2.15 - 2.22 mMg - OH2.30 - 2.39 mFe - OH2.24 - 2.27 mSi - OH2.25 m (寬寬)H2O1.9 mCO32.30 -

9、 2.35 mNH42.0 - 2.13 m實驗室得到實驗室得到的光譜的光譜外表覆著物 (薄膜) 特征吸收比之于厚的微粒外表窄2的平方根 2 (0.707) 倍.各種各樣的外表覆著：從能透過能量的到能量完全散射的厚厚的層狀物; 光譜特征吸收寬度為2的平方根倍.不同的吸收過程及其波長相關性使得我們可以從反射光譜或者輻射廣譜中提取出礦石的化學信息 數字化的光譜數據庫數字化的光譜數據庫 JPL 實驗室曾經有了在實驗室曾經有了在0.4-14微米范圍內微米范圍內2000種自然種自然和人造物質的反射光譜數據庫和人造物質的反射光譜數據庫 聯絡人聯絡人: Dr. Simon HookJPL, MS 183-5

10、014800 Oak Grove DrivePasadena, CA 91109Phone: 818-354-0974Fax: 818-354-0966: Simon.J.H Web: /數字化的光譜數據庫數字化的光譜數據庫CSIRO 光譜庫光譜庫 聯絡人聯絡人:Dr. Jon HuntingtonCSIRODivision of Exploration & MiningP.O. Box North Ryde, N.S.W., 1670AustraliaPhone: +61-2-94908839: Jon.Huntingtoncsiro.au Web: syd.dem.csiro.au/research/MMTG/數字化的光譜數據庫數字化的光譜數據庫 USGS (Den