1、原子分子光譜郭福明原子與分子物理研究所 ,135144124631第1頁第1頁本門課程重點復習內(nèi)容2第2頁第2頁微觀粒子運動與電磁輻射相應(yīng)：3第3頁第3頁4第4頁第4頁5第5頁第5頁類氫體系束縛態(tài)能級：氫原子：Z=1，E1=13.6 eV6第6頁第6頁堿金屬原子能級：普通 l 越小貫穿效果越強，量子虧損d越大，而高 l 電子量子虧損靠近0。7第7頁第7頁自旋-軌道互相作用（能級精細結(jié)構(gòu)）：由于旋軌互相作用存在，使得原子能級含有精細結(jié)構(gòu)j= s8第8頁第8頁電子組態(tài)：電子殼層排布：l次殼層最多 2（2l+1）個電子；n殼層最多 個電子。量子數(shù)：n=1，2，3，l=0，1，2，n-1 s，p，d，

2、ml=0，1，2，lms=1/29第9頁第9頁LS譜項： 1.由Pauli不相容原理，任意兩電子（n、l、ml、ms）不能完全相同， 同科電子允許譜項只能是L+S為偶數(shù)項。 2.對于閉殼層電子，總軌道角動量、總自旋角動量及總角動量均為 零，因此閉殼層電子對光譜項中L、S、J沒用奉獻，因此我們只需 考慮非閉殼層即可，nlm與nl2（2l+1）-m允許譜項相同。10第10頁第10頁實例：電子組態(tài) 相應(yīng)光譜項 相應(yīng)光譜支項2s2p1P1， 3P0，1，21P， 3P 1P，3P ，1D ，3D， 1F，3F3p3d 1P1，3P0，1，2 ，1D 2， 3D1，2，3， 1F3，3F2，3，4 1s

3、2（同科電子）1S0，3S11S 1S，3S ，1P ，3P， 1D，3D 1S0，3S1 ，1P 1， 3P0，1，2， 1D2，3D1，2，3 2p2（同科電子）紅色為禁戒譜項11第11頁第11頁LS耦合下能級結(jié)構(gòu)：在LS耦合下pd組態(tài)能級結(jié)構(gòu)與各種互相作用3P球平均 + 庫侖直接 + 庫侖互換 + 自旋軌道 + 外磁場EavPFD1P1F3F3D1D1P11F33P0124323212MJ10-1.210-1-212第12頁第12頁多電子原子磁矩 13第13頁第13頁 在外磁場中，原子由于含有總磁矩j，而產(chǎn)生與磁場附加互相作用能： 因為總角動量j空間取向量子化 （mj=-j，-j+1，j

4、），磁場作用下附加能量不同，引發(fā)能級分裂。劈裂能級個數(shù)為2j+1。躍遷選擇定則：M=0，114第14頁第14頁塞曼(Zeeman)效應(yīng)15第15頁第15頁正常塞曼效應(yīng)： 電子發(fā)生躍遷前后兩個原子態(tài)總自旋都為零譜線稱為單態(tài)譜線，單態(tài)譜線分裂為三條現(xiàn)象稱為正常塞曼效應(yīng)。當s1=s2=0 時反常塞曼效應(yīng)： 反常塞曼效應(yīng)是上下能級s1,s2都不等于零，g1,g2都不等于1，非單態(tài)能級之間躍遷16第16頁第16頁超精細結(jié)構(gòu)：1.磁超精細結(jié)構(gòu)（核自旋效應(yīng)）2.電超精細結(jié)構(gòu)（核電四極矩效應(yīng)）3.同位素效應(yīng)17第17頁第17頁 由于原子核質(zhì)量比電子質(zhì)量大幾千倍，當核分布發(fā)生微小改變時，電子能夠快速調(diào)整其運動狀

5、態(tài)以適應(yīng)新核勢場，而核對電子在其軌道上快速改變卻不敏感。因此，波恩和奧本海默將電子運動和核運動分開，討論電子運動時近似認為電子是在不動核勢場中；討論核運動時，認為核受到一個與電子坐標無關(guān)有效勢作用，這就是波恩-奧本海默近似。 Bohn-Oppenheimer近似:-eZAeZBe研究電子：A、B核不動ZAeZBe研究核：不顯含電子坐標，電子提供一個平均有效勢回顧18第18頁第18頁 在Bohn-Oppenheimer近似下，分子總波函數(shù)分離為電子波函數(shù)和核波函數(shù)兩部分： 其中， e 描述電子運動，依賴于核坐標，不依賴核量子狀態(tài)；n描述核運動，主要反應(yīng)核振動和轉(zhuǎn)動狀態(tài)。對于固定核 ，為常數(shù)，電子

6、波函數(shù)滿足：核運動滿足：19第19頁第19頁分子轉(zhuǎn)動、振動、電子能級示意圖E e E v ErEr：1040.05eV ：0.8400cm-1 位于微波和遠紅外光區(qū)Ev：0.051eV ：4008000cm-1位于紅外光區(qū)Ee：120eV ：81031.6l05cm-1位于紫外、可見光區(qū)20第20頁第20頁回顧雙原子分子轉(zhuǎn)動光譜轉(zhuǎn)動躍遷選律: 整體選律: 只有極性分子才有轉(zhuǎn)動光譜; 詳細選律:J=1.21第21頁第21頁轉(zhuǎn)動能級回顧轉(zhuǎn)動光譜22第22頁第22頁 詳細選律：才有v=1躍遷是允許.諧振子能級圖回顧23第23頁第23頁轉(zhuǎn)動光譜 振動光譜 物理模型 剛性轉(zhuǎn)子模型諧振子模型 躍遷選律 J

7、 =1 v=1特點 譜線等間距排列 能級等間距排列 公式 鍵長鍵力常數(shù) 得到信息 總結(jié):24第24頁第24頁波數(shù)4 3 2 1 0 1 2 3JP支 R支J01234J 01234v+1v25第25頁第25頁振動激發(fā)能夠同時伴隨轉(zhuǎn)動激發(fā)，用高分辨率紅外光譜儀可觀測到振轉(zhuǎn)光譜. 比如, HCl振轉(zhuǎn)光譜下列:P支 Q支 R支26第26頁第26頁電偶極躍遷速率：27第27頁第27頁EnEnEi共振輻射吸取EiEn受激發(fā)射Ei自發(fā)發(fā)射28第28頁第28頁29第29頁第29頁能級壽命和寬度：當 時，激發(fā)態(tài)i原子數(shù)目減小為本來1/e。EP（E）EiP（Ei）P（Ei）/2半高全寬30第30頁第30頁tF

8、T31第31頁第31頁譜線寬度和線型：EI（E）E0=Ei-EkI0I0/2E1.自然線寬：能級壽命帶來譜線自然地展寬EiEk原子或分子在兩能態(tài)上運動近似用一個含有阻尼諧振子描述。洛倫茲線型32第32頁第32頁2.多普勒寬增寬：發(fā)光原子或分子與接受器間相對速度帶來接受到輻射譜線增寬我們稱之為多普勒寬度。高斯線型：33第33頁第33頁（1）碰撞作用使發(fā)光粒子忽然中斷發(fā)光而縮短壽命造成能級展寬。3.碰撞增寬：（2）由于碰撞使波列發(fā)生無規(guī)則相位突變所引起波列縮短，等效于壽命縮短。洛倫茲線型：34第34頁第34頁例：氦氖激光器和CO2激光器三種譜線增寬。T=300K, Ne 原子6328(632.8n

9、m,紅光)譜線不同機理增寬: 此譜線主要機理是Doppler增寬35第35頁第35頁AbsorbedTransmittedReflectedIncident light l0l0l0l0l l0l l0ElasticInelastic瑞利散射和拉曼散射36第36頁第36頁散射光強與4成反比。 把線度小于光波長微粒對入射光彈性散射，稱為瑞利散射。1.瑞利散射：37第37頁第37頁2.拉曼散射 在散射光中出現(xiàn)與入射光頻率不同散射光，這種現(xiàn)象稱為拉曼散射。 h(0 + )E0E1E1 + h0E2 + h0 h h0h(0 - )瑞利散射斯托克斯散射反斯托克斯散射38第38頁第38頁CCl4Rama

10、n光譜圖39第39頁第39頁儲存環(huán)示意圖插入件：產(chǎn)生各類不同特性同時輻射同時加速腔：加速電子，并補充同時輻射損失能量真空室：減少因殘留氣體碰撞而損失光束線能量四極磁鐵：以透鏡機制聚焦光束線彎轉(zhuǎn)磁鐵：使束流軌道轉(zhuǎn)彎，產(chǎn)生同時輻射同時輻射40第40頁第40頁41第41頁第41頁1. 輻射光波長連續(xù)可調(diào)、范圍寬；2. 亮度高；3. 準直性好；4. 單色性好；5. 偏振光；6. 有特定期間結(jié)構(gòu)；7. 穩(wěn)定。8.多用戶同時輻射特性：42第42頁第42頁入射狹縫準直鏡物鏡棱鏡焦面出射狹縫f分光系統(tǒng) 將由不同波長“復合光”分開為一系列“單一”波長“單色光”器件。1. 棱鏡：棱鏡分光系統(tǒng)使輻射沿焦面呈非線性色

11、散，短波色散不小于長波。43第43頁第43頁 光柵反射光柵透射光柵透光寬度不透光寬度光柵常數(shù)d 大量等寬等間距平行狹縫(或反射面)構(gòu)成光學元件光柵寬度為 l ，每毫米縫數(shù)為 m ，則總縫數(shù)光柵44第44頁第44頁縫間干涉主極大就是光柵衍射主極大，其位置滿足 光柵方程 多縫干涉主極大光強受單縫衍射光強調(diào)制，使得主極大光強大小不同，在單縫衍射光強極小處主極大缺級。缺級條件如缺級缺級缺級條件分析三. 衍射和縫間干涉共同結(jié)果45第45頁第45頁46第46頁第46頁單縫衍射和縫間干涉共同結(jié)果幾種縫光柵衍射47第47頁第47頁斜入射光柵方程主極大條件k = 0, 1, 2, 3缺級條件最多明條紋數(shù)p48第

12、48頁第48頁k=0閃耀光柵 光柵分辨率：49第49頁第49頁入射狹縫S1出射狹縫S2球面鏡M1球面鏡M2反射光柵G（閃耀光柵）S1處于M1焦平面處。光柵單色儀S2處于M2焦平面處。50第50頁第50頁慣用激光器由三部分構(gòu)成： 工作物質(zhì) 泵浦源 光學諧振腔激光激光器結(jié)構(gòu)示意圖全反鏡半反鏡增益介質(zhì)泵浦燈1.激光器結(jié)構(gòu)51第51頁第51頁按輸出方式分：脈沖輸出連續(xù)輸出按工作物質(zhì)分 ：半導體激光器氣體激光器固體激光器液體激光器自由電子激光器2.激光器分類按輸出波長分：紫外和真空紫外激光器紅外和遠紅外激光器可見光激光器X射線激光器52第52頁第52頁（1）方向性好3. 激光特性（2）單色性好(3) 亮

13、度高(4) 相干性好53第53頁第53頁4.激光器原理EiEn受激發(fā)射受激輻射光放大54第54頁第54頁粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)受激發(fā)射占優(yōu)勢為得到光放大,必須使N2 N155第55頁第55頁實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電激勵化學激勵熱激勵光激勵激勵(又稱泵浦)E1E2泵浦56第56頁第56頁三能級系統(tǒng)E1E3E2泵浦亞穩(wěn)態(tài)E1E4E3泵浦亞穩(wěn)態(tài)E2四能級系統(tǒng) 57第57頁第57頁采用光激勵辦法：受激和發(fā)光都在Cr3+上進行，是典型三能級系統(tǒng)。紅寶石激光器58第58頁第58頁氦氖激光器是四能級系統(tǒng)(電激勵)s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞電子碰撞激發(fā)電子碰激發(fā)自發(fā)輻射632.8nm共振轉(zhuǎn)移回顧電極加上高電壓

14、后，毛細管中氣體開始放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光躍遷是Ne氣，He是輔助氣體，用以提升Ne原子泵浦速率59第59頁第59頁3) 二氧化碳激光器工作物質(zhì)：CO2、N2和He混合物激光波長：10.6微米、9.6微米（遠紅外光）（利用基態(tài)不同振動態(tài)轉(zhuǎn)動能級之間躍遷，故光子能量小）特點：激光器效率高、輸出能量大、功率高。四能級、電激勵60第60頁第60頁4）染料激光器有機化合物液體（染料）激光器，簡稱染料激光器染料激光器：若丹明6G、隱花青，豆花素特點：激光波長可調(diào)諧且調(diào)諧范圍寬廣、可產(chǎn)生極短超短脈沖（3fs）、可取得窄譜線寬度廣泛應(yīng)用到光生物學、光譜學、光化學同位素分離、全息照像等技術(shù)

15、中，研究物質(zhì)瞬態(tài)改變過程及微觀動力學。61第61頁第61頁四能級62第62頁第62頁5）半導體激光器半導體激光器以半導體為工作物質(zhì)，慣用材料有GaAs（砷化鎵）、InP等。含有小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡樸、價格廉價等長處，在光纖通信、激光唱片、光盤、數(shù)顯、準直等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 半導體激光器又稱為半導體激光二極管，或簡稱激光二極管，英文縮寫為LD (Laser Diode)，是實用中最主要一類激光器 。 63第63頁第63頁利用半導體中載流子（電子或空穴）在導帶和價帶之間受激躍遷而實現(xiàn)受激輻射光放大。（半導體中電流是電子和空穴移動而形成，稱為載流子。）64第64頁第64頁6）自由電子激光器65第65頁第65頁zdz增益介質(zhì)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后工作物質(zhì)介質(zhì)增益作用zdI(z)zz+dzL通過增益介質(zhì)后,光強隨距離增長介質(zhì)對光增益系數(shù)66第66頁第66頁一對反射鏡為端面腔體稱為諧振腔。光學諧振腔作用激光在兩反射鏡間形成駐波。諧振條件為：2nL = k = kc 2nL L: 腔長 n: 介質(zhì)折射率67第67頁第67頁振蕩模式 是指能夠在諧振腔內(nèi)存在穩(wěn)定光波基本形式，用TEMmnq表示。 m和n表征該模式在垂直于腔軸內(nèi)形成駐波節(jié)點數(shù),稱橫模數(shù)。 q表示該模式在光腔軸平面內(nèi)形成節(jié)點數(shù)，稱縱模數(shù)。1.縱模 能引發(fā)振蕩頻率關(guān)系2.橫模 光場在橫向不同穩(wěn)定分布。68第68頁第