1、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)源停止對物體的作用后，發(fā)光現(xiàn)象還會持續(xù)一定的時間。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cathode luminescence X射線發(fā)光及高能粒子發(fā)光

2、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)理電子沿著一個個分立的軌道繞核旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電子在確定的軌道上運動時，電子沿著一個個分立的軌道繞核旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電子在確定的軌道上運動時，原子具有確定的能量。原子具有確定的能量。 電子從一個軌道躍遷到另一個軌道，原子或分子就從一個能態(tài)躍變到電子從一個軌道躍遷到另一個軌道，原子或分子就從一個能態(tài)躍變到另一能態(tài)，同時伴隨著能量的變化。另一能態(tài)，同時伴隨著能量的變化。電子在不同軌道之間躍變，原子向外釋放或吸收能量。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)理原子從一個定態(tài)躍遷到另一定

3、態(tài)，會發(fā)射或吸收一個光子，原子從一個定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，會發(fā)射或吸收一個光子，頻頻率率 輻射輻射頻率公式頻率公式每每一個輻射光子稱作一個一個輻射光子稱作一個波列波列每個波列持續(xù)時間約每個波列持續(xù)時間約10-8s原子或分子的發(fā)光過程是彼此獨立的、隨機(jī)的原子或分子的發(fā)光過程是彼此獨立的、隨機(jī)的光源發(fā)出的連續(xù)光波實際上是大量原子或分子發(fā)光的總效果。光源發(fā)出的連續(xù)光波實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hEEnk|3.發(fā)光的物理機(jī)理發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜 原子原子的發(fā)射光譜是線狀的發(fā)射光譜是線狀光譜光譜 每每種原子有其獨特的發(fā)射光譜種原子有其獨特的發(fā)射光譜識別識別不同原子不同原子的標(biāo)志的

4、標(biāo)志 分子發(fā)射光譜 若干若干光譜帶組成的帶狀光譜光譜帶組成的帶狀光譜 分子分子能級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜能級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜 分子分子的轉(zhuǎn)動能級間的躍遷發(fā)出的轉(zhuǎn)動能級間的躍遷發(fā)出遠(yuǎn)紅外輻射遠(yuǎn)紅外輻射；振動能級間的躍遷發(fā)出；振動能級間的躍遷發(fā)出中中紅外輻射紅外輻射；而電子能級間的躍遷發(fā)出；而電子能級間的躍遷發(fā)出可見光和紫外輻射可見光和紫外輻射。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，由于光波和物質(zhì)的相互作用，一般呈現(xiàn)兩種當(dāng)光波在媒質(zhì)中傳播時，由于光波和物質(zhì)的相互作用，一般呈現(xiàn)兩種效應(yīng)效應(yīng)光的吸收光波和物質(zhì)作用的光波和物質(zhì)作用的兩種效應(yīng)兩種效應(yīng)折射和雙折射現(xiàn)象折射和雙折射現(xiàn)象（速度減慢）（速度減慢

5、）消光現(xiàn)象消光現(xiàn)象散射散射 (scattering)現(xiàn)象現(xiàn)象吸收吸收 (absorption)現(xiàn)象現(xiàn)象(部分光波沿其它方向傳播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轉(zhuǎn)換成其它形式的能量)（光能減弱）（光能減弱）光的吸收光吸收的類型一般吸收（ general absorption ）在給定的波段范圍內(nèi)，若介質(zhì)對光的吸收很少，而且光吸收量與波在給定的波段范圍內(nèi)，若介質(zhì)對光的吸收很少，而且光吸收量與波長無關(guān)。在可見光范圍內(nèi)，一般吸收意味著長無關(guān)。在可見光范圍內(nèi)，一般吸收意味著光通過介質(zhì)后不改變顏色而光通過介質(zhì)后不改變顏色而只改變強(qiáng)度只改變強(qiáng)度。選擇吸收（selective absor

6、ption ）在給定的波段范圍內(nèi)，媒質(zhì)吸收某種波長的光能比較顯著。在可見在給定的波段范圍內(nèi)，媒質(zhì)吸收某種波長的光能比較顯著。在可見光范圍內(nèi)，選擇吸收意味著光范圍內(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 比爾定律朗伯定律朗伯定律稱為稱為吸收系數(shù)吸收系數(shù)，“”號表示隨號表示隨 x 增加增加 I 減小減小。將上式積分：將上式積分：光的吸收xIIddxIIlIIdd00lII0lnlnI0IlxxdII-dI光的吸收lIIe0（朗伯定律的數(shù)學(xué)形式）（朗伯定律的數(shù)學(xué)形式） 引入透光率引入透光率 T 和吸收度和吸收度 A ，并定義，并定義 ，

7、0IIT IITA0n11n1，上式表示為上式表示為lIITe0lIIA0n1 實驗表明，在光強(qiáng)變化相當(dāng)大的范圍（約實驗表明，在光強(qiáng)變化相當(dāng)大的范圍（約1020倍）內(nèi)，透射光倍）內(nèi)，透射光強(qiáng)度滿足朗伯定律的數(shù)學(xué)形式。因此，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)變化相朗伯定律適用于光強(qiáng)變化相當(dāng)大的場合。當(dāng)大的場合。光的吸收比爾定律比爾定律比爾定律是朗伯定律在溶液情形下的應(yīng)用。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)，即稀溶液的吸收系數(shù)與溶液濃度有關(guān)，即C1 朗伯定律可變?yōu)椋豪什煽勺優(yōu)椋篊lII1e0 是一個與濃度無關(guān)的常數(shù)，它表征了吸收物質(zhì)的分子特性

8、，是一個與濃度無關(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。為溶液的濃度。 1ClIIA10n1吸收度吸收度A與濃度與濃度 C 呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系（比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式）（比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式）光的吸收 實際測量中觀察到吸收度與濃度關(guān)系偏離線性的情況，說明比爾定律的實際測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。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才成立。響時才成立。 光的反射、散射、溫度、時間、壓力等都會對比爾定律產(chǎn)生光的反射、散射、溫度、時間、壓力等都會對比

9、爾定律產(chǎn)生影響影響 。朗伯定律始終成立，但朗伯定律始終成立，但比比爾爾定律有時不一定成立。定律有時不一定成立。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，利用介質(zhì)對光的吸收作用當(dāng)一束復(fù)色光透過一定厚度的介質(zhì)時，利用介質(zhì)對光的吸收作用因波長而異，可產(chǎn)生吸收光譜。因波長而異，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，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)生吸收的波長區(qū)域相對應(yīng)的一些暗線或暗帶，這就是的波長區(qū)域相對應(yīng)的一些暗線或暗帶，這就

10、是吸收光譜吸收光譜。光源光源單色儀單色儀樣品室樣品室檢測儀檢測儀放大儀放大儀計算機(jī)輸計算機(jī)輸出裝置出裝置紫外可見光分光光度計原理圖紫外可見光分光光度計原理圖光的吸收 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。所謂謂原子化原子化就是使待測樣品中的原子達(dá)到霧化狀態(tài)，并保證霧化原子處于就是使待測樣品中的原子達(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。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和吸收光譜每種元素都有其特征吸收波長和吸收光譜

11、原子吸收光譜廣泛應(yīng)用于定量分析中原子吸收光譜廣泛應(yīng)用于定量分析中 鈉原子吸收光譜鈉原子吸收光譜對于氣體、液體和固體而言，對于氣體、液體和固體而言，一般在紅外區(qū)有選擇吸收。一般在紅外區(qū)有選擇吸收。吸收譜線寬度增大且組成連吸收譜線寬度增大且組成連續(xù)譜帶，稱為續(xù)譜帶，稱為帶狀光譜帶狀光譜。紅。紅外光譜分析常用于科學(xué)研究外光譜分析常用于科學(xué)研究及生產(chǎn)實踐中。及生產(chǎn)實踐中。光的吸收原子吸收光譜的應(yīng)用探測太陽的元素構(gòu)成探測太陽的元素構(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，稱為夫瑯禾費譜線夫瑯禾費譜線。這些譜線是處于較低溫度的太陽大氣中的原子，對更加熾熱的內(nèi)核發(fā)射的連續(xù)光

12、譜進(jìn)行選擇吸收的結(jié)果。將這些吸收譜線的波長，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)的定量分析原子吸收光譜在化學(xué)的定量分析中有中有廣泛的應(yīng)用廣泛的應(yīng)用 帶狀吸收光譜用來定性鑒定或定量測定有機(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

13、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，其速度將比真空中小，而且不同頻率的光在同光在物質(zhì)中傳播時，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的不同而一物質(zhì)中的傳播速度不同。因此，物質(zhì)的折射率隨光的波長的不同而改變，這一現(xiàn)象稱為改變，這一現(xiàn)象稱為色散色散。色散現(xiàn)象也是光和物質(zhì)相互作用的結(jié)果。色散現(xiàn)象也是光和物質(zhì)相互作用的結(jié)果 。對于給定的介質(zhì)而言，折射率對于給定的介質(zhì)而言，折射率n是波長是波長 的函數(shù)，即的函數(shù)，即

14、 nn( )色散率色散率ddn光的色散棱鏡折射率與頂角棱鏡折射率與頂角 和最小和最小偏向角偏向角 關(guān)系關(guān)系2sin2sinn 測得不同波長的光線通過棱鏡的最小偏向角，可以按照上式計算測得不同波長的光線通過棱鏡的最小偏向角，可以按照上式計算出棱鏡對不同波長的光的折射率，從而可繪出棱鏡的色散曲線（即出棱鏡對不同波長的光的折射率，從而可繪出棱鏡的色散曲線（即折射率折射率n與波長的關(guān)系曲線）與波長的關(guān)系曲線）。正常色散光的色散幾種材料的色散曲線幾種材料的色散曲線曲線特點：曲線特點：具有以上特點的色散稱為具有以上特點的色散稱為正常色散正常色散 。波長波長 越短，折射率越短，折射率n越大；越大；波長波長

15、越短，色散率越短，色散率 越大；越大；波長波長 很長時，折射率很長時，折射率n趨于定值；趨于定值；不同物質(zhì)的色散曲線沒有簡不同物質(zhì)的色散曲線沒有簡單的相似關(guān)系。單的相似關(guān)系。光的色散科希于科希于1836年給出了正常色散的折射率與波長的函數(shù)關(guān)系：年給出了正常色散的折射率與波長的函數(shù)關(guān)系：42CBAn 式中式中 為真空中的波長，為真空中的波長，A、B、C 為取決于介質(zhì)性質(zhì)的常量，其數(shù)為取決于介質(zhì)性質(zhì)的常量，其數(shù)值可由實驗測定。值可由實驗測定。當(dāng)波長變化范圍不大時，上式可簡化為當(dāng)波長變化范圍不大時，上式可簡化為2BAn介質(zhì)的色散率介質(zhì)的色散率 32ddBn 上式表明上式表明dn/d N2 ,吸收為主

16、吸收為主 N2 N1 , 受激輻射為主受激輻射為主只有只有N2 N1才能才能受激比吸收多，受激比吸收多，光放大光放大 熱平衡時，高能級上原子數(shù)目極少熱平衡時，高能級上原子數(shù)目極少, , 吸收比受激輻射多吸收比受激輻射多 受激輻射、吸收幾率與對應(yīng)原子數(shù)成正比受激輻射、吸收幾率與對應(yīng)原子數(shù)成正比 激光原理及其應(yīng)用舉例 原子激發(fā)的幾種基本方式：原子激發(fā)的幾種基本方式： 1氣體放電激發(fā)氣體放電激發(fā) 2原子間碰撞激發(fā)原子間碰撞激發(fā) 3光激發(fā)光激發(fā)(光泵光泵)無輻射躍遷無輻射躍遷E!E3E2激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)基態(tài)三能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng) 四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng) 泵浦泵浦無輻射躍遷無輻射躍遷泵浦泵浦E!

17、E4E3激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)基態(tài)E2實現(xiàn)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)!必須采取特殊辦法必須采取特殊辦法 激光原理及其應(yīng)用舉例He-Ne激光器中激光器中Ne氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實現(xiàn)氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實現(xiàn) 電子電子碰撞碰撞He21s23s碰撞碰撞亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)Ne3s2s3p2p1150nm632.8nm3390nm 電子經(jīng)電場加速后，與電子經(jīng)電場加速后，與 He 碰撞。處于激發(fā)態(tài)的碰撞。處于激發(fā)態(tài)的 He 與與 Ne 碰撞，碰撞，把能量傳遞給把能量傳遞給 Ne，使它在亞穩(wěn)態(tài)，使它在亞穩(wěn)態(tài)（3s、2s）和激發(fā)態(tài)和激發(fā)態(tài)（3p、2p）之間之間形成反轉(zhuǎn)分布。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

18、泵浦源泵浦源 全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激光激光 光束在諧振腔內(nèi)來回震光束在諧振腔內(nèi)來回震蕩，在工作物質(zhì)中的傳播蕩，在工作物質(zhì)中的傳播使光得以放大，并輸出激使光得以放大，并輸出激光。光。光學(xué)諧振腔光學(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)信號處理激光視力測試激光美容激光手術(shù)材料加工通訊技術(shù)時間同步牙科應(yīng)用激光與物質(zhì)相互作用激光與物質(zhì)相互作用 是激光應(yīng)用的重要基礎(chǔ)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體轉(zhuǎn)變快速冷