激光光谱-01-吸收与发射、线宽与线形
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吸收光谱和发射光谱都是线谱,区别在于前者显示黑色线条,而发射光谱显示光谱中的彩色线条。
原子的基本结构包括称为核的中心核和围绕核的电子云。
根据现代原子理论,这些电子被定位在称为壳或轨道的特定能级上,以此对能量进行量化。
已知最接近原子核的壳具有最低的能量。
当能量从外部提供给原子时,它使电子从一个轨道跳到另一个轨道(又称为能级跃迁),这类运动可获得吸收和发射光谱。
1、什么是吸收光谱吸收光谱指的是通过使电磁辐射穿过物质而获得的光谱,特征是它在光谱上显示暗线。
当物质暴露于电磁辐射源时,如果光子的能量与两个能级之间的能量相同,则能量被较低能级的电子吸收,导致某特定电子的能量增加。
那么该电子的能量很高(意思是它就准备进行跳跃),但是,如果光子的能量不等于两个能级之间的能量差,则光子将不会被吸收。
2、什么是发射光谱发射光谱指的是物质发射的电磁辐射形成的光谱。
当原子从激发态变为稳定态时,它会发出电磁辐射(等于释放能量)以进入较低的能量状态,能量以光子的形式释放。
光子的这种集合在一起使一个光谱称为发射光谱。
一、性质不同1、发射光谱:光源所发出的光谱。
2、吸收光谱:物质吸收光子,从低能级跃迁到高能级而产生的光谱。
二、形成原因不同1、吸收光谱:处于基态和低激发态的原子或分子以一定波长的连续分布吸收光,并传输到每个激发态,形成一个按波长排列的暗线或暗带光谱。
2、发射光谱:当原子或分子在高能量级转移到低能量级时,从其释放多余能量而形成的光谱。
为了使原子或分子处于更高的能量水平,它们需要被提供能量,这被称为激发。
被激发的处于较高能级的原子、分子向低能级跃迁放出频率为n的光子在原子光谱的研究中多采用发射光谱。
观察吸收光谱有几种方法:(1)使用连续光谱的光源,如白炽灯和连续光谱红外光源。
光通过样品,用分光光度计记录下来。
暗吸收光谱显示在连续的白色背景上。
(2)使上述光源发出的光通过光谱仪,成为准单色光。
通过调整分光计,可以连续扫描光的频率,并通过样品获得吸收光谱并进行记录。
激光光谱教学大纲一、课程名称:激光光谱 Laser Spectroscopy二、课程编码:三、学时与学分:40 学时/2.5学分四、先修课程:量子力学,光学,光电探测与信号处理五、课程教学目标光谱学是关于光吸收、发射过程的频域信息的一门学问,在原子分子物理、化学、光电子学、材料、等离子体物理以及天体物理等方面均有重要的应用。
激光的诞生,使光谱探测范围、灵敏度、分辨率等因素发生根本性的变化,极大地扩展了光谱分析的能力,形成了一门新兴的学科–激光光谱。
激光光谱课程的教学目标,是在掌握光谱学基本概念和原理、光谱分析测试基本技术手段的基础上,进一步学习激光光谱的原理和技术,掌握利用激光光谱技术研究物质结构、状态及其变化发展过程的技能。
通过本课程的学习,可望进一步巩固在光学理论及技术应用方面的基础,加强对光辐射的理解,提升光辐射探测和处理的能力。
课程具体包括光吸收与发射、光谱学基础、激光光谱中的激光器、激光吸收光谱、激光荧光光谱和激光等离子体发射光谱、无多普勒展宽光谱、激光拉曼光谱以及光电离光谱技术等多方面的内容。
六、适用学科专业:光信息科学与技术光电信息工程七、基本教学内容与学时安排第一章绪论光谱学与激光光谱技术的历史与发展状况(1学时)第二章光的吸收与发射(1学时)2.1 吸收、自发辐射与受激发射,偏振与相干性;2.2 半经典描述;2.3 线宽与线形。
第三章光谱学基础(6学时)3.1 分子对称性,群论初步;3.2 气体分子光谱:转动光谱、振动光谱、电子光谱。
第四章光谱仪与弱信号监测仪(4学时)4.1 光谱仪:光栅光谱仪、干涉仪;4.2 弱信号探测方法。
第五章光谱技术中的激光光源(4学时)5.1 光谱学中常用的激光光源;5.2 光源的非线性扩展;5.3 激光波长、线宽的测量。
第六章激光吸收光谱技术(6学时)6.1 基本吸收光谱技术;6.2 高灵敏度吸收光谱技术;6.3 耦合双共振与快速吸收光谱技术;6.4 外场扫描吸收光谱技术;6.5 光声与光热光谱技术。
第一张基本概念:1.能级寿命是指自发辐射能级寿命,能级寿命与自发辐射系数互为倒数关系。
2.自发辐射与受激辐射的区别:(1)受激跃迁与自发辐射,前者与外场揉(谬)有关,而后者则只取决于原子、分子系统本身,与外场揉(谬)无关。
理论和实验证明受激辐射光子与入射光子具有四同(同频率、同位相、同波矢、同偏振),即受激辐射光子与入射光子属于同一光子态(光波模式),受激辐射光是相干光,而自发辐射是非相干的随机过程。
(3)自发辐射系数A21与受激跃迁系数的关系:在热平衡条件下,能级E1、E2的粒子数N1、N2应保持平衡,则有: 3. 光子简并度n 为受激辐射几率与自发辐射几率之比,前者产生相干光子,后者产生非相干光子。
4. 激光器的三要素:(1)工作物质(气体、固体、液体、半导体等);(2)泵浦源:二者可实现粒子数反转,实现光放大。
(3)激光谐振腔 ---实现选模和光学正反馈。
5.线宽:分布函数半最大值所对应的频率宽度叫线宽—半最大值全宽,线宽内部分叫谱线的核,外部部分叫翼。
6.光谱学中常见的谱线展宽有:自然展宽、碰撞展宽、 Doppler 展宽。
自然加宽:由于自发辐射的存在,导致处于激发态的粒子具有一定的寿命,使得所发射的光谱具有一定的线宽称为自然加宽。
7.碰撞又分为弹性碰撞和非弹性碰撞:弹性碰撞,碰撞对之间没有通过无辐射跃迁所进行的内能交换时,称为弹性碰撞。
非弹性碰撞,碰撞对A 、B 在碰撞期间,A 的内能完全的或部分的转移给了B(或成为B 的内能或转变为A 、B 的平动动能),有内能变化,称为非弹性碰撞,也叫淬灭碰撞。
小距离弹性碰撞主要引起谱线加宽,而大距离弹性碰撞主要引起频移。
8.Doppler 加宽:由于气体原子、分子的热运动而具有一定的速度分布,一定速度的粒子相对于探测器来讲,都会产生Doppler 频移,这样具有一定速度的粒子只对谱线的某一频率范围有贡献,总体效果使得谱线加宽,Doppler 加宽的谱线线型为高斯线型。