光化学与光物理

保护层 乳剂层 底层 片基保护层 乳剂层 聚乙烯纸基(a) 黑白负片 (b) 涂塑相纸感光材料的种类与应用机理概述感光材料是一种能够感受可见光、红外光、紫外线、X 射线等电磁辐射信息并发生物理和化学变化，经过曝光和一定的加工后，能得到固定影像的物品。

根据我国历史文献记载，早在汉代，我们劳动人们就在常年生活经验积累的基础上，将某些可以“感光”的物质涂抹在陶器表面制备美丽的图案。

今天，感光材料作为信息记录和显示的重要媒介，在文化、教育、科学以及国防等各个领域都得到极为广泛的应用，在国民经济中站有重要的地位。

感光材料涉及的范围很广，按照材料的光敏介质可将其分为：银盐感光材料和非银盐感光材料，本文将按照传统感光材料的种类和应用机理做简单介绍。

1. 银盐感光材料在感光科学领域，将以银盐（卤化银）为感光介质的感光材料称为银盐感光材料。

自从1727年J.Schulge 发现AgNO 3的感光性能至今，银盐感光材料已有两百余年的发展历史。

银盐感光材料具有感光度高、成像层次丰富、成像稳定的优点，是传统摄影领域使用的最主要成像材料。

但是基于银盐感光材料存在制作工序复杂、需暗室显影定影、不能实时显示等缺点，而且需要耗费大量的贵金属银。

自2005年以来，数码影像技术和产品飞速发展，传统银盐照相产品的需求快速萎缩，已进入迟暮之年。

但是银盐感光材料是人类科学智慧的结晶，其中包含的一些研究思想至今仍有借鉴意义。

1.1 银盐感光材料的结构从构造上简单的说，银盐感光材料是由乳剂层、支持层和一系列辅助层构成的。

不同的品种的感光材料，由于其照相性能和用途的不同，结构上稍微有些差异。

图1为几种常见银盐信息记录材料的结构特征。

图 1 两种常见银盐信息记录材料的结构（一） 乳剂层乳剂层是感光材料的光敏涂层，直接决定了感光材料的照相性能。

印刷行业中使用的银盐感光材料如基层的厚度在5 ~ 25 μm 之间。

尽管乳剂层很薄，但是整个照相过程，从曝光、显影、定影到形成稳定的影像，这一系列物理化学变化都发生在这薄薄的乳剂层中。

化学在光化学和光物理中的应用
化学在光化学和光物理中的应用主要体现在以下几个方面：
1.光催化作用：在光化学中，光催化剂可以吸收光能，进而产生化学反应。

例如，在环保领域，光催化材料可以吸收太阳光，将有害物质转化为无害
或低害物质，达到净化空气或水的目的。

2.光合作用：光合作用是植物通过太阳光能、水和二氧化碳生成氧气和葡萄
糖的过程。

这一过程是生物界的基本能量转换过程，也是自然界中最重要
的化学反应之一。

3.光电效应：在光物理中，光电效应是指光照射到物质表面时，物质会吸收
光子并释放电子的现象。

这一过程被广泛应用于太阳能电池等领域，将光
能转化为电能。

4.荧光和磷光：荧光和磷光是物质吸收光能后重新发射光的现象。

它们在化
学分析、生物成像以及光电子设备等领域有广泛的应用。

5.光化学反应在合成化学中的应用：利用光化学反应，可以实现许多传统热
化学反应无法实现的反应，从而合成出许多新的化合物和材料。

6.光动力疗法：在生物医学领域，光动力疗法是一种利用光敏药物和特定波
长的光照射来杀死癌细胞或其他异常细胞的治疗方法。

总的来说，化学在光化学和光物理中的应用广泛而深入，涵盖了从基础科学研究到实际应用的各个方面。

第10章 光与物质的相互作用10.1 内容提要（一）光的波粒二象性 1.普朗克量子假设（1）一个频率为v 的谐振子只能处于一系列不连续的分立状态，在这些状态中，谐振子的能量只能是某一最小能量ε= hv 的整数倍，即hv ，2hv ，3hv ，…，nhv其中n 为正整数，h 是普朗克常量，ε=hv 称为能量子。

（2）当谐振子从一个量子态跃迁到另一个量子态时，谐振子将发射或吸收以能量子（现称为光子）为单位的电磁能。

一个光量子的能量就是两个相邻量子态之间的能量差，即Thh E ==ν （10.1） 而当谐振子停留在原来的量子态时，它将不发射或吸收任何能量。

普朗克的量子假设突破了经典物理学的观念，第一次提出了微观粒子具有分立的能量值，即振子的能量是按量子数做阶梯式分布，后来人们把振子处于某些能量状态，形象地称为处于某个能级。

2.爱因斯坦的光量子学说（1）光电效应：当光照到某些金属的表面时，金属内部的自由电子会逸出金属表面，这种光致电子发射现象叫做光电效应。

（2）爱因斯坦的光量子假设：光束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子叫光量子，也叫光子。

光子以光速运动，对于频率为v 的光束，光子的能量为νεh = （10.2）按照爱因斯坦的光子假设，频率为v 的光束可以看作是由许多能量均等于hv 的光子所构成；频率越高，光子的能量越大；对给定频率的光束来说，光的强度越大，就表示光子的数目越多。

（3）爱因斯坦的光电效应方程：0221A m h m +=v ν （10.3） 式（10.3）中A 0为逸出功，221m m v 为电子的初动能。

3.光的波粒二象性（1）光子的能量： λνhch E == （10.4）（2）光子的质量： λνhch m ==2（10.5）（3）光子的动量： λhmc p == （10.6）（二）光的吸收 散射 色散 1.光的吸收（1）朗伯定律：当一束单色光透过一定厚度的介质时，透射光的强度就会降低，并且产生吸收光谱。

光化学反应原理光化学反应原理光化学反应在环境中主要是受阳光的照射，污染物吸收光子而使该物质分子处于某个电子激发态，而引起与其它物质发生的化学反应。

如光化学烟雾形成的起始反应是二氧化氮（NO2）在阳光照射下，吸收紫外线（波长2900~4300A）而分解为一氧化氮（NO）和原子态氧（O，三重态）的光化学反应，由此开始了链反应，导致了臭氧及与其它有机烃化合物的一系列反应而最终生成了光化学烟雾的有毒产物，如光氧乙酰硝酸酯（PAN）等。

光化学反应的发生必须具备的条件当光照射在物体上时,会发生三种情况:反射、透过和吸收。

在光化学中,只有被分子吸收的光才能引起光化学反应。

因此,光化学反应的发生必须具备两个条件:一是光源,只有光源发出能为反应物分子所吸收的光,光化学反应才有可能进行。

二是反应物分子必须对光敏感(与其分子的结构有关) 。

即反应物分子能直接吸收光源发出的某种波长的光,被激发到较高的能级(激发态) ,从而进行光化学反应。

例如:卤化银能吸收可见光谱里的短波辐射(绿光、紫光、紫外光) 而发生分解:2AgBr=2Ag +Br2这个反应是照像技术的基础。

但卤化银却不受长波辐射(红光) 的影响。

所以,暗室里可用红灯照明。

由此也可看出,光化学反应的一个重要特点是它的选择性,反应物分子只有吸收了特定波长的光才能发生反应。

需要注意的是,有些物质本身并不能直接吸收某种波长的光而进行光化学反应,即对光不敏感。

但可以引入能吸收这种波长光的另外一种物质,使它变为激发态,然后再把光能传递给反应物,使反应物活化从而发生反应。

这样的反应称为感光反应。

能起这样作用的物质叫感光剂。

例如:CO2 和H2O 都不能吸收日光,但植物中的叶绿素却能吸收这样波长的光,并使CO2 和H2O 合成碳水化合物:CO2 + H2O=16 n(C6H12O6) n + O2叶绿素就是植物光合作用的感光剂。

光化学反应物质在可见光或紫外线照射下吸收光能时发生的光化学反应。

物理学和化学之间的交叉学科物理学和化学是两个广泛的科学领域，它们各自研究和探讨着不同的现象和物质。

然而，这两个学科之间并不是完全独立的，而是有着广泛的交叉点和联系。

在本文中，我们将探讨一些物理学和化学之间的交叉学科，以及这些交叉学科在现代科学研究中的作用和应用。

一、量子化学量子化学是物理学和化学之间最重要的交叉学科之一。

它研究分子和原子的行为，以及化学反应的量子力学性质。

量子化学将分子和原子的行为描述成波函数，并使用特定的数学方法来计算各种分子的光谱和反应动力学。

在量子化学的发展过程中，物理学研究的量子力学理论和化学研究的量子化学理论相互交织，为化学家提供了更广阔的研究空间和更强的计算能力。

量子化学在现代科学中得到广泛应用，尤其是在材料学和药物化学领域。

例如，在药物研究中，研究人员可以通过量子计算机模拟药物和生物分子的相互作用，以更好地开发出新型药物。

此外，利用量子计算机计算材料的物理特性，可以帮助研究人员设计出更经济、高效、环保的绿色材料。

二、表面化学表面化学是物理学和化学之间的一种交叉学科，也是材料化学和生物化学中的重要分支。

表面化学研究物质的表面和界面现象，例如，溶液中的表面张力、界面活性剂分子的吸附等。

表面化学对于材料的设计、制造和处理有着重要作用。

例如，在工业生产中，为了生产出高品质和稳定性的产品，研究人员需要对于物质的表面张力进行研究和掌握。

表面化学在生物领域也有着重要的应用价值。

生物膜是生命系统的一个重要组成部分，其表面化学性质对于生物体内的代谢和反应有着重要影响。

在生物体外，表面化学技术可以为生物微芯片、生物传感器等设备片和功能体表面提供对接和设计，从而提高其工作效率和稳定性。

三、光化学和光物理学光化学和光物理学是物理学和化学之间的另一种重要交叉学科。

光化学和光物理学研究分子的光学和电学性质，包括光吸收、荧光、拉曼散射、电子跃迁等。

光化学和光物理学中的技术和理论研究为新型光电器件的开发和应用提供了基础。