原子分子光谱第九次复习市公开课获奖课件

1、原子分子光谱郭福明原子与分子物理研究所 ,135144124631第1页第1页本门课程重点复习内容2第2页第2页微观粒子运动与电磁辐射相应：3第3页第3页4第4页第4页5第5页第5页类氢体系束缚态能级：氢原子：Z=1，E1=13.6 eV6第6页第6页碱金属原子能级：普通 l 越小贯穿效果越强，量子亏损d越大，而高 l 电子量子亏损靠近0。7第7页第7页自旋-轨道互相作用（能级精细结构）：由于旋轨互相作用存在，使得原子能级含有精细结构j= s8第8页第8页电子组态：电子壳层排布：l次壳层最多 2（2l+1）个电子；n壳层最多 个电子。量子数：n=1，2，3，l=0，1，2，n-1 s，p，d，

2、ml=0，1，2，lms=1/29第9页第9页LS谱项： 1.由Pauli不相容原理，任意两电子（n、l、ml、ms）不能完全相同， 同科电子允许谱项只能是L+S为偶数项。 2.对于闭壳层电子，总轨道角动量、总自旋角动量及总角动量均为 零，因此闭壳层电子对光谱项中L、S、J没用奉献，因此我们只需 考虑非闭壳层即可，nlm与nl2（2l+1）-m允许谱项相同。10第10页第10页实例：电子组态 相应光谱项 相应光谱支项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（同科电子）1S0，3S11S 1S，3S ，1P ，3P， 1D，3D 1S0，3S1 ，1P 1， 3P0，1，2， 1D2，3D1，2，3 2p2（同科电子）红色为禁戒谱项11第11页第11页LS耦合下能级结构：在LS耦合下pd组态能级结构与各种互相作用3P球平均 + 库仑直接 + 库仑互换 + 自旋轨道 + 外磁场EavPFD1P1F3F3D1D1P11F33P0124323212MJ10-1.210-1-212第12页第12页多电子原子磁矩 13第13页第13页 在外磁场中，原子由于含有总磁矩j，而产生与磁场附加互相作用能： 因为总角动量j空间取向量子化 （mj=-j，-j+1，j

4、），磁场作用下附加能量不同，引发能级分裂。劈裂能级个数为2j+1。跃迁选择定则：M=0，114第14页第14页塞曼(Zeeman)效应15第15页第15页正常塞曼效应： 电子发生跃迁前后两个原子态总自旋都为零谱线称为单态谱线，单态谱线分裂为三条现象称为正常塞曼效应。当s1=s2=0 时反常塞曼效应： 反常塞曼效应是上下能级s1,s2都不等于零，g1,g2都不等于1，非单态能级之间跃迁16第16页第16页超精细结构：1.磁超精细结构（核自旋效应）2.电超精细结构（核电四极矩效应）3.同位素效应17第17页第17页 由于原子核质量比电子质量大几千倍，当核分布发生微小改变时，电子能够快速调整其运动状

5、态以适应新核势场，而核对电子在其轨道上快速改变却不敏感。因此，波恩和奥本海默将电子运动和核运动分开，讨论电子运动时近似认为电子是在不动核势场中；讨论核运动时，认为核受到一个与电子坐标无关有效势作用，这就是波恩-奥本海默近似。 Bohn-Oppenheimer近似:-eZAeZBe研究电子：A、B核不动ZAeZBe研究核：不显含电子坐标，电子提供一个平均有效势回顾18第18页第18页 在Bohn-Oppenheimer近似下，分子总波函数分离为电子波函数和核波函数两部分： 其中， e 描述电子运动，依赖于核坐标，不依赖核量子状态；n描述核运动，主要反应核振动和转动状态。对于固定核 ，为常数，电子

6、波函数满足：核运动满足：19第19页第19页分子转动、振动、电子能级示意图E e E v ErEr：1040.05eV ：0.8400cm-1 位于微波和远红外光区Ev：0.051eV ：4008000cm-1位于红外光区Ee：120eV ：81031.6l05cm-1位于紫外、可见光区20第20页第20页回顾双原子分子转动光谱转动跃迁选律: 整体选律: 只有极性分子才有转动光谱; 详细选律:J=1.21第21页第21页转动能级回顾转动光谱22第22页第22页 详细选律：才有v=1跃迁是允许.谐振子能级图回顾23第23页第23页转动光谱 振动光谱 物理模型 刚性转子模型谐振子模型 跃迁选律 J

7、 =1 v=1特点 谱线等间距排列 能级等间距排列 公式 键长键力常数 得到信息 总结:24第24页第24页波数4 3 2 1 0 1 2 3JP支 R支J01234J 01234v+1v25第25页第25页振动激发能够同时伴随转动激发，用高分辨率红外光谱仪可观测到振转光谱. 比如, HCl振转光谱下列:P支 Q支 R支26第26页第26页电偶极跃迁速率：27第27页第27页EnEnEi共振辐射吸取EiEn受激发射Ei自发发射28第28页第28页29第29页第29页能级寿命和宽度：当 时，激发态i原子数目减小为本来1/e。EP（E）EiP（Ei）P（Ei）/2半高全宽30第30页第30页tF

8、T31第31页第31页谱线宽度和线型：EI（E）E0=Ei-EkI0I0/2E1.自然线宽：能级寿命带来谱线自然地展宽EiEk原子或分子在两能态上运动近似用一个含有阻尼谐振子描述。洛伦兹线型32第32页第32页2.多普勒宽增宽：发光原子或分子与接受器间相对速度带来接受到辐射谱线增宽我们称之为多普勒宽度。高斯线型：33第33页第33页（1）碰撞作用使发光粒子忽然中断发光而缩短寿命造成能级展宽。3.碰撞增宽：（2）由于碰撞使波列发生无规则相位突变所引起波列缩短，等效于寿命缩短。洛伦兹线型：34第34页第34页例：氦氖激光器和CO2激光器三种谱线增宽。T=300K, Ne 原子6328(632.8n

9、m,红光)谱线不同机理增宽: 此谱线主要机理是Doppler增宽35第35页第35页AbsorbedTransmittedReflectedIncident light l0l0l0l0l l0l l0ElasticInelastic瑞利散射和拉曼散射36第36页第36页散射光强与4成反比。 把线度小于光波长微粒对入射光弹性散射，称为瑞利散射。1.瑞利散射：37第37页第37页2.拉曼散射 在散射光中出现与入射光频率不同散射光，这种现象称为拉曼散射。 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页第38页CCl4Rama

10、n光谱图39第39页第39页储存环示意图插入件：产生各类不同特性同时辐射同时加速腔：加速电子，并补充同时辐射损失能量真空室：减少因残留气体碰撞而损失光束线能量四极磁铁：以透镜机制聚焦光束线弯转磁铁：使束流轨道转弯，产生同时辐射同时辐射40第40页第40页41第41页第41页1. 辐射光波长连续可调、范围宽；2. 亮度高；3. 准直性好；4. 单色性好；5. 偏振光；6. 有特定期间结构；7. 稳定。8.多用户同时辐射特性：42第42页第42页入射狭缝准直镜物镜棱镜焦面出射狭缝f分光系统 将由不同波长“复合光”分开为一系列“单一”波长“单色光”器件。1. 棱镜：棱镜分光系统使辐射沿焦面呈非线性色

11、散，短波色散不小于长波。43第43页第43页 光栅反射光栅透射光栅透光宽度不透光宽度光栅常数d 大量等宽等间距平行狭缝(或反射面)构成光学元件光栅宽度为 l ，每毫米缝数为 m ，则总缝数光栅44第44页第44页缝间干涉主极大就是光栅衍射主极大，其位置满足 光栅方程 多缝干涉主极大光强受单缝衍射光强调制，使得主极大光强大小不同，在单缝衍射光强极小处主极大缺级。缺级条件如缺级缺级缺级条件分析三. 衍射和缝间干涉共同结果45第45页第45页46第46页第46页单缝衍射和缝间干涉共同结果几种缝光栅衍射47第47页第47页斜入射光栅方程主极大条件k = 0, 1, 2, 3缺级条件最多明条纹数p48第

12、48页第48页k=0闪耀光栅 光栅分辨率：49第49页第49页入射狭缝S1出射狭缝S2球面镜M1球面镜M2反射光栅G（闪耀光栅）S1处于M1焦平面处。光栅单色仪S2处于M2焦平面处。50第50页第50页惯用激光器由三部分构成： 工作物质 泵浦源 光学谐振腔激光激光器结构示意图全反镜半反镜增益介质泵浦灯1.激光器结构51第51页第51页按输出方式分：脉冲输出连续输出按工作物质分 ：半导体激光器气体激光器固体激光器液体激光器自由电子激光器2.激光器分类按输出波长分：紫外和真空紫外激光器红外和远红外激光器可见光激光器X射线激光器52第52页第52页（1）方向性好3. 激光特性（2）单色性好(3) 亮

13、度高(4) 相干性好53第53页第53页4.激光器原理EiEn受激发射受激辐射光放大54第54页第54页粒子数分布反转受激发射占优势为得到光放大,必须使N2 N155第55页第55页实现粒子数反转电激励化学激励热激励光激励激励(又称泵浦)E1E2泵浦56第56页第56页三能级系统E1E3E2泵浦亚稳态E1E4E3泵浦亚稳态E2四能级系统 57第57页第57页采用光激励办法：受激和发光都在Cr3+上进行，是典型三能级系统。红宝石激光器58第58页第58页氦氖激光器是四能级系统(电激励)s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞电子碰撞激发电子碰激发自发辐射632.8nm共振转移回顾电极加上高电压

14、后，毛细管中气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转，产生激光跃迁是Ne气，He是辅助气体，用以提升Ne原子泵浦速率59第59页第59页3) 二氧化碳激光器工作物质：CO2、N2和He混合物激光波长：10.6微米、9.6微米（远红外光）（利用基态不同振动态转动能级之间跃迁，故光子能量小）特点：激光器效率高、输出能量大、功率高。四能级、电激励60第60页第60页4）染料激光器有机化合物液体（染料）激光器，简称染料激光器染料激光器：若丹明6G、隐花青，豆花素特点：激光波长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短超短脉冲（3fs）、可取得窄谱线宽度广泛应用到光生物学、光谱学、光化学同位素分离、全息照像等技术

15、中，研究物质瞬态改变过程及微观动力学。61第61页第61页四能级62第62页第62页5）半导体激光器半导体激光器以半导体为工作物质，惯用材料有GaAs（砷化镓）、InP等。含有小型、高效率、结构简朴、价格廉价等长处，在光纤通信、激光唱片、光盘、数显、准直等领域得到广泛应用。 半导体激光器又称为半导体激光二极管，或简称激光二极管，英文缩写为LD (Laser Diode)，是实用中最主要一类激光器 。 63第63页第63页利用半导体中载流子（电子或空穴）在导带和价带之间受激跃迁而实现受激辐射光放大。（半导体中电流是电子和空穴移动而形成，称为载流子。）64第64页第64页6）自由电子激光器65第65页第65页zdz增益介质实现粒子数反转后工作物质介质增益作用zdI(z)zz+dzL通过增益介质后,光强随距离增长介质对光增益系数66第66页第66页一对反射镜为端面腔体称为谐振腔。光学谐振腔作用激光在两反射镜间形成驻波。谐振条件为：2nL = k = kc 2nL L: 腔长 n: 介质折射率67第67页第67页振荡模式 是指能够在谐振腔内存在稳定光波基本形式，用TEMmnq表示。 m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波节点数,称横模数。 q表示该模式在光腔轴平面内形成节点数，称纵模数。1.纵模 能引发振荡频率关系2.横模 光场在横向不同稳定分布。68第68页第