稀土离子能级跃迁图教学文案

稀土离子发光原理引言：稀土离子发光是一种重要的光学现象，它在许多领域都有广泛的应用，如显示技术、荧光材料、激光器等。

本文将深入探讨稀土离子发光的原理，并剖析其在实际应用中的意义。

一、稀土离子的发光机制稀土离子的发光机制是基于电子能级跃迁的原理。

当稀土离子受到外界能量激发时，其内部的电子会跃迁至一个较高的能级。

随后，电子会从高能级跃迁回低能级，并释放出光子能量，形成发光现象。

具体来说，稀土离子的发光过程包括以下几个步骤：1. 激发：稀土离子通过吸收外界能量，例如光或电子束，将电子激发到高能级。

2. 跃迁：激发后的电子会在高能级停留一段时间，然后跃迁回低能级。

这个跃迁过程可以是辐射跃迁，也可以是非辐射跃迁。

3. 发光：在电子跃迁回低能级时，会释放出光子能量，形成发光现象。

稀土离子的发光波长与电子跃迁的能级差有关，因此不同的稀土离子会产生不同的发光颜色。

二、稀土离子的应用稀土离子的发光特性使其在许多领域得到了广泛应用。

1. 显示技术：稀土离子可以发出各种颜色的光，因此被广泛应用于液晶显示器、荧光屏幕和LED背光源等。

通过控制不同的稀土离子的激发和跃迁过程，可以实现多彩的显示效果。

2. 荧光材料：稀土离子可以被用作荧光材料，用于制造荧光粉、荧光墨水等。

这些荧光材料可以发出明亮的光，用于照明、显示和标记等领域。

3. 激光器：稀土离子在激光器中也起到关键作用。

通过将稀土离子与适当的激光介质结合，可以实现激光的发射。

不同的稀土离子可以产生不同波长的激光，满足不同应用的需求。

4. 生物医学：稀土离子的发光特性使其在生物医学领域有着广泛的应用。

例如，稀土离子可以用于荧光探针，用于细胞成像、分子探测和药物输送等。

结论：稀土离子发光原理的研究和应用为我们提供了许多新的可能性。

通过对稀土离子的深入理解，我们可以开发出更高效、更环保的显示技术、荧光材料和激光器等。

同时，稀土离子的发光特性也为生物医学研究和应用带来了新的机遇。

第二讲稀土离子的光谱特性稀土因其特殊的电子层结构，而具有一般元素所无法比拟的光谱性质，稀土发光几乎覆盖了整个固体发光的范畴，只要谈到发光，几乎离不开稀土。

稀土元素的原子具有未充满的受到外层屏蔽的4f5d电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，构成众多的发光和激光材料。

稀土化合物的发光是基于它们的4f电子在f—f组态之内或f—d组态之间的跃迁。

具有未充满的4f壳层的稀土原子或离子，其光谱大约有30000条可观察到的谱线，它们可发射从紫外光、可见光到红外光区的各种波长的电磁辐射。

稀土离子丰富的能级和4f电子的跃迁特性，使其成为巨大的发光宝库，从中可发掘出更多新型的发光材料。

第一节稀土元素基态原子的电子层构型及光谱项1、稀土元素的电子层构型稀土元素包括17种元素，即属于元素周期表中ⅢB族的15个镧系元素以及同一族的钪和钇。

钪和钇的电子层构型分别为：Sc 1s22s22p63s23p63d14s2Y 1s22s22p63s23p63d104s24p65s2镧系原子的电子层构型为：1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f n5s25p65d n＇6s2，n=0-14, n＇=0或1。

镧系稀土元素电子层结构的特点是电子在外数第三层的4f轨道上填充，4f轨道的角量子数l=3，磁量子数m可取0、±1、±2、±3等7个值，故4f亚层具有7个轨道。

根据Pauli不相容原理，在同一原子中不存在4个量子数完全相同的两个电子，即一个原子轨道上只能容纳自旋相反的两个电子，4f亚层只能容纳14个电子，从La到Lu，4f电子依次从0增加到14。

形成三价稀土离子时首先失去的是6s和5d电子，使三价稀土离子具有顺序增加的4f n 电子结构，n=0，1，…，14，分别对应于La 3+，Ce 3+，…，Lu 3+离子。

稀土离子在真空紫外区4f~n→4f~(n-1)5d跃迁光谱的分析研究简报稀土离子在真空紫外区44广154跃迁光谱的分析范英芳李彩云山西大学分子科学研，所太原030006处还有些弱的1吸收带，它们分别是稀土离子的自旋允许和自旋禁阻跃迁；而对于轻镧系离子，7，谱中只有强的1吸收谱带，对应于稀土离子的自旋允许跃迁。

由于实验条件的限制，镧系离子在真空紫外区域，0200，艺500001的光谱直是个未被探究的领域。

近年来，随着现代科技的迅速发展，镧系离子光谱成为重要的研宄领域。

己经发现在不同基质的宽谱带间隙中，稀土离子强的4厂154组态间跃迁可产生相干真空紫外光或紫外光1如祁43+在3251产生激光2.掺杂稀土离子的荧光材料可作为高量子产率的磷光体应用于等离子体显屏亲灯管快速闪烁器和光波通讯等方面。

第个固态，激光是基于掺杂以晶体中削离子的以发射+的荧光特性在闪光晶体中的运用也被广泛地研宄4，而且因获得掺杂，的激光材料，越来越引起人们对其它镧系离子4广4厂1514组态间跃迁光谱的研究兴趣。

1966年报道了所有价镧系离子在0逆2晶体中最低的1吸收带51973年同步加违器辐射作次被用来研究1跃迁后来524等得到了3晶体中所有价镧系离子较高分辨率的吸收光谱7.其它氟基质，如祁43邳3此2等也己经被用来研宄，区域许多镧系离子的1跃迁光谱81.本文中笔者主要分析讨论了几种价稀土离子的1跃撄光谱及其特征。

1重镧系离子的4广4广151跃迁光谱1.1实验现象范英芳女，41岁，博士，教授，从事配位场理论研究。

山西省自然科学基金资助项目2021009213+1和几1的激发光谱1在真空条件下将晶体样品放入真空管中，用氟单质脉冲放电分子激光作为光源激发样品，然后通过真空紫外单色仪人502和光电倍增管，19412等检测系统信号，得到它们的紫外吸收光谱。

在高自旋态时，自旋量子数5=3，自旋多重度2 +17；在低自旋态时，自旋量子数52，自旋多重度2 +15.而在基组态4103时，未配对的自旋平行的电子数为4，因而4组态的总自旋量子数=2，自旋多重度为 5.根据洪特规则，高自旋态肥位于低能量处，因此，从基态40到能量最低的高自旋态4厂15，且态吧的跃撄是自旋禁阻的，由于自旋多重度不相等即，乒，因而谱峰较弱，即在长波方向观察到的这些弱峰是自旋禁阻1跃撄。

3.1.2稀土离子的吸收光谱稀土离子吸收光谱的产生可归因于三种情况：来自f组态内的能级间的跃迁，即f→f跃迁；组态间的能级跃迁，即f→d跃迁；电荷跃迁，配体向金属离子的电荷跃迁。

1．f→f跃迁光谱指f组态内的不同J能级间跃迁所产生的光谱。

它的特点是：(1) f→f 跃迁是宇称选择规则禁阻的; 因此不能观察到气态的稀土离子的f→f跃迁光谱,由于配体场微扰,溶液和固态化合物虽能观察到相应的光谱，但相对于d-d跃迁来说，也是相当弱的，摩尔消光系数ε≈0.5lmol·cm，振动强度为10～10(指主要的跃迁类型--电偶极跃迁，这将在配合物光谱中述及)。

(2) f→f跃迁光谱是类线性的光谱。

谱带的尖锐原因是处于内层的4f电子受到5s、5p电子的屏蔽，因此受环境的影响较小，所以自由离子光谱是类原子的线性光谱，甚至在溶液和固体化合物中，也是这样的，尤其在低温条件下更为明显。

这点与d区过渡元素的d→d跃迁光谱有所区别。

d区过渡元素离子的d电子是外层电子,易受环境的影响，因而谱带变宽。

稀土离子的f→f跃迁谱带的分裂为100左右，而过渡元素的d→d跃迁的谱带分裂在1000～3000。

(3) 谱带的范围较广。

在近紫外，在可见区和近红外区内都能得到稀土离子(III)的光谱。

其中Sc、Y、La、Lu是封闭壳层结构，从基态跃迁至激发态需要较高的能量，因而它们在200-1000nm(50000～10000cm)的范围内无吸收，所以它们是无色的。

Ce、Eu、Gd、Tb虽在200～1000nm 范围内有特征的吸收带，但大部或全部吸收带均在紫外区内。

Yb的吸收带在近红外区内出现，所以Ce、Eu、Gd、Tb和Yb也是无色的。

Pr、Nd、Pm、Sm、Dy、Ho、Er、Tm有的吸收带存在于可见区内，因而它们是有色的。

RE的主要吸收峰及其消光系数列在表3.3中。

稀土离子(III)的谱带和颜色已列在表3.4中。

其中f和f组态的有相同或相近的颜色，La～Gd的颜色变化和由Gd～Lu的情况是相似的，只有Pm和Ho(f)的例外。

基于稀土离子4f-4f和4f-5d跃迁的光学温度传感温度作为基本物理学量之一,其测量精度和测量方式,在各个不同的科学领域都有不同的要求。

随着科学研究、技术应用以及工业生产等领域的迅速发展,各种不同原理、不同测量范围的温度传感器也被广泛应用在日常生活、工业生产以及基础科学研究中。

然而,如今新兴产业发展迅速,现有的商用温度计很难满足一些特殊应用领域的高难度、高精度要求。

例如,随着智能手机的普及,手机过热导致爆炸的新闻不时见诸报端,这就要求科研人员设计出微小的测温元件置于手机内。

再比如,癌细胞对温度十分敏感,研究癌细胞死亡与温度之间的关系对治疗癌症具有十分关键的作用,这就要求设计出高温度灵敏度、高空间分辨率的温度传感方式。

再比如,对活体动物体内温度的探测是很有意义的基础科学研究方向,但是直接将温度计侵入动物体内会对动物器官造成伤害,这就要求研究人员设计出非接触的测温方式。

然而,传统温度计通常只能满足10微米以及以上尺度温度的测量,且需要接触式测温,响应较慢,所以在探测速度和精度上会受到极大的限制。

在这种情况下,基于发光材料的光学温度传感方案显示出了其独有的温度探测优势。

光学温度传感属于非接触式温度探测的范畴,相比于传统接触式温度计优势如下:它无需和待测物体接触,因而测温速度快且不会对待测物体产生侵入损伤;纳米尺寸的发光材料用于温度探测则可具有更高的(纳米尺度)空间分辨率,适用于细胞体温度探测;发光材料的荧光寿命一般在毫秒量级以下,因而光学测温具有实时性的特点。

光学温度传感器的核心材料为用于感测温度的发光材料。

发光材料的温度传感原理是发光材料的某些光学特性随着温度的改变而发生改变,如发光峰位置、两个发光峰的荧光强度比、光谱线宽、绝对荧光强度以及荧光衰减寿命等,因此可以建立这些发光特性与温度的关系,通过测量发光来反推出待测样品的温度。

本论文的研究内容是探究基于稀土发光材料的新型光学温度传感技术,采用的主要光学测温方案为荧光强度比方案,研究目的在于提高现有测温方案的温度灵敏度以及寻找可用于光学温度传感的新的测温方案,以下是本论文的内容安排:第一章是本论文的绪论部分,主要介绍发光材料温度传感的研究意义、背景和发展现状,以及目前已有研究成果的优势和不足。

稀土离子4f组态能级1. 引言稀土元素是指周期表中镧系元素（包括镧、铈、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱以及酪梨），它们在化学性质上具有相似的特点。

稀土元素的4f电子壳层结构对其独特的化学和物理性质起到了重要影响。

稀土离子是指稀土元素中失去部分或全部外层电子形成带电离子的过程。

这些带电离子在固体和溶液中表现出不同的能级结构，这对于解释稀土材料的光学、磁学和电学性质至关重要。

本文将详细介绍稀土离子4f组态能级，探讨其在材料科学中的应用。

2. 稀土离子的4f组态稀土元素的4f电子壳层由14个电子组成，可以形成不同的组态。

这些组态由于配位场和晶体场效应而发生变化。

根据洪特规则，4f电子填充顺序为：5d1 6s2 4f0, 5d1 6s2 4f1, 5d1 6s2 4f2, …, 5d1 6s2 4f14。

这些组态可以通过Hund’s规则来解释。

根据Hund’s规则，最低能量的组态是具有最大自旋多重度的组态。

例如，对于铽离子（Tm3+），其4f组态为5d1 6s24f12，其中4f电子填充到了不同的磁量子数状态上，以达到最低能量。

3. 稀土离子的能级结构稀土离子在晶体场下会出现能级分裂现象。

晶体场效应会导致原子轨道的对称性降低，从而使得一些轨道能量增加，一些轨道能量降低。

这种分裂使得稀土离子在吸收和发射光谱中表现出特征性的峰。

稀土离子的能级结构可以通过光谱技术来研究。

例如，紫外可见吸收光谱可以用来确定稀土离子的电子跃迁过程。

磁共振光谱则可以提供关于稀土离子的磁学性质和局域化态的信息。

4. 稀土离子的应用稀土离子的能级结构和性质使得它们在材料科学中具有广泛的应用。

4.1 光学应用稀土离子的能级结构决定了它们的吸收和发射光谱。

这些特征性的光谱可以用于荧光材料、激光器和LED等光学器件中。

例如，铒离子在红外区域有强烈吸收，因此可以用于红外吸收剂和红外传感器。

4.2 磁学应用稀土离子由于其特殊的电子结构，在磁学中有着重要的应用。

第二讲稀土离子的光谱特性稀土因其特殊的电子层结构，而具有一般元素所无法比拟的光谱性质，稀土发光几乎覆盖了整个固体发光的范畴，只要谈到发光，几乎离不开稀土。

稀土元素的原子具有未充满的受到外层屏蔽的4f5d电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，构成众多的发光和激光材料。

稀土化合物的发光是基于它们的4f电子在f—f组态之内或f—d组态之间的跃迁。

具有未充满的4f壳层的稀土原子或离子，其光谱大约有30000条可观察到的谱线，它们可发射从紫外光、可见光到红外光区的各种波长的电磁辐射。

稀土离子丰富的能级和4f电子的跃迁特性，使其成为巨大的发光宝库，从中可发掘出更多新型的发光材料。

第一节稀土元素基态原子的电子层构型及光谱项1、稀土元素的电子层构型稀土元素包括17种元素，即属于元素周期表中ⅢB族的15个镧系元素以及同一族的钪和钇。

钪和钇的电子层构型分别为：Sc 1s22s22p63s23p63d14s2Y 1s22s22p63s23p63d104s24p65s2镧系原子的电子层构型为：1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f n5s25p65d n＇6s2，n=0-14, n＇=0或1。

镧系稀土元素电子层结构的特点是电子在外数第三层的4f轨道上填充，4f轨道的角量子数l=3，磁量子数m可取0、±1、±2、±3等7个值，故4f亚层具有7个轨道。

根据Pauli不相容原理，在同一原子中不存在4个量子数完全相同的两个电子，即一个原子轨道上只能容纳自旋相反的两个电子，4f亚层只能容纳14个电子，从La到Lu，4f电子依次从0增加到14。

形成三价稀土离子时首先失去的是6s和5d电子，使三价稀土离子具有顺序增加的4f n 电子结构，n=0，1，…，14，分别对应于La 3+，Ce 3+，…，Lu 3+离子。

稀土离子上转换
稀土离子上转换指的是一种将高能激发态能量转移到低能激发态的过程。

这种过程是通过吸收一个高能光子的能量和发射一个低能光子的能量来实现的。

稀土离子是一类拥有稳定电子结构和独特的电子能级分布的离子，它们具有很强的吸收和发射光谱带，可以在可见到近红外光谱范围内实现单一或多孔激发态的有效转换。

稀土离子上转换的物理原理是基于过渡金属的内层电子能级结构。

稀土离子的原子核外层有多个电子，其中高能电子处于稳定的内层电子壳中。

这些内层电子的能级结构是亚稳态的，能够承载较高的激发态能量并输出较低的发射态能量。

稀土离子的电子构型是1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24fNA，其中f轨道中的电子是稀土元素的特征之一。

这些电子能量级之间的差异极大，使得它们在吸收或发射光子时，可以进行有效的能量转移。

稀土离子上转换的应用非常广泛。

它在光学通信、医学诊断、固态激光器、荧光粉、光电显示等领域都有着重要的应用。

其中，双色荧光粉是稀土离子上转换应用的一个典型案例。

双色荧光粉可以吸收可见光的能量，然后在自发辐射的过程中发射近红外光，同时也可以发射同样的可见光。

这种双重发射的特性使得双色荧光粉在红外激光照明和医学成像领域有了广泛的应用。

稀土离子上转换是一种非常重要的物理效应，其根源在于过渡金属的内层电子能级结构，它在许多领域具有广泛的应用。

在未来，随着新的材料和技术的不断发展，稀土离子上转换的应用将会更加广泛和深入。

稀土离子发光原理
稀土离子发光原理是基于稀土离子的电子结构和能级跃迁。

稀土元素的电子层构型具有满内壳和不完全填充外层的特点，在其最外层电子能级中存在未与其他原子的电子形成化学键的孤对电子。

这些孤对电子形成了局部化的f电子，具有离散的能级。

在外界激励下，稀土离子吸收能量，激发其f电子跃迁至高能级，形成一个激发态。

当这个激发态的电子跃迁回到低能级时，会发射出能量等于跃迁能差的光子，产生发光现象。

不同的稀土元素可以通过调整激发能量或选择合适的材料基质来实现不同的发光颜色。

稀土离子发光的特点是具有长寿命、窄带宽和高亮度等优点，广泛应用于发光材料、显示和照明等领域。