光学与光谱学

光学与光谱学第一页，共八十页，2022年，8月28日光学定义：光学是研究光的传播以及它和物质相互作用问题的学科。光学的研究对象、地位和特点：光是一种重要的自然现象光学是物理学的一个重要分支光学学科是一门应用性极强的基础学科第二页，共八十页，2022年，8月28日光的本质（1）古代元气说（公元前400多年的《墨经》）光，即火。火属五行之一，五行生于元气，故光生于元气。发光谓之吐气，受光谓之含气。（2）牛顿（Isaac.Newton）的微粒说（17世纪）光是一种高速运动着的微粒流。微粒说能够很好地解释光在均匀介质中的直线传播以及在两种介质分界面上的反射定律，但在解释折射现象时，会得出与实际情况相反的结果，并且微粒说也不能解释光的干涉、衍射和偏振等现象。第三页，共八十页，2022年，8月28日（3）惠更斯（C.Huygens）的波动说

光是在充满整个空间的特殊介质“以太”中传播的某种弹性波，因此服从波动的传播规律——惠更斯原理。利用惠更斯原理不仅能够正确解释光的直线传播和反射定律，也能够正确解释光的折射定律以及双折射现象。（4）杨氏（T.Young）双缝干涉实验与波动学说的重新兴起。

分别通过两个缝的两束光在屏幕上的重叠区域内形成一组明暗相间的条纹。包涵了光波波长的概念，并初步测定出了光波波长的大小。。第四页，共八十页，2022年，8月28日第五页，共八十页，2022年，8月28日（5）菲涅耳（）对光的波动说的贡献设计了双平面镜和双棱镜干涉实验，进一步证实了杨氏关于双缝干涉现象解释的正确性；发现并解释了菲涅耳衍射；总结出了菲涅耳公式及方程第六页，共八十页，2022年，8月28日第七页，共八十页，2022年，8月28日（6）麦克斯韦电磁理论（19世纪60年代初）麦克斯韦（）的贡献：得出了著名的麦克斯韦方程组，预言出电磁波的存在，并推算出电磁波在真空中的传播速度与测量得到的光速值极为接近，进一步预言光是一种电磁波动，诞生了光的电磁理论。电磁波的实验证实：赫兹（）通过一系列实验于1888年证实了电磁波的存在。第八页，共八十页，2022年，8月28日

麦克斯韦电磁理论的缺陷：假定光波是通过“以太”传播的。为了寻找“以太”介质，迈克尔逊（）和莫雷（）于1887年设计出了一台精密干涉仪，试图以此观察地球相对“以太”的运动。结论：通过任何实验都不可能观察到地球相对于以太运动的任何效应。

第九页，共八十页，2022年，8月28日1905年，爱因斯坦（A.Einstein）发表了著名的狭义相对论。彻底否定了“以太”的存在；同时还假设，光在真空中始终以恒定的速度传播，与光源或观察者运动状态无关。第十页，共八十页，2022年，8月28日（7）电磁波动学说的困境

对于黑体辐射和光电效应实验，无论采用任何假设，只要是以电磁理论为前提，所得结论都与实验结果相矛盾。（8）量子论的提出

普朗克（M.Planck）的黑体辐射公式爱因斯坦的光电效应方程“光子（photon）”概念的提出（9）光的本质的再认识激光与新效应光是一种特殊的粒子，具有波粒二象性。第十一页，共八十页，2022年，8月28日现代光学传统光学的研究对象：以望远镜、显微镜、光谱仪、干涉仪、照相机等为代表的各种光学仪器及其在精密测量、光谱分析以及成像等方面的应用。现代光学的重要标志：激光技术，信息光学，非线性光学，波导光学第十二页，共八十页，2022年，8月28日激光器的发明激光名称的由来：lightamplificationbystimulatedemissionofRadiation（受激辐射激发的光放大），缩写为LASER。故最初的中文名称音译为“镭射”“莱塞”。1964年由钱学森教授取名为“激光”。爱因斯坦的预言（1916）：在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跃迁到低能级上，相应地会辐射出与激发它的光相同性质的光——受激辐射。在一定条件，如果能使原子和分子的受激辐射去激发其它粒子，造成连锁反应，雪崩似的获得放大效果，就可能获得单色性极强的辐射。第十三页，共八十页，2022年，8月28日光谱学光谱学是光学的一个分支学科，研究物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列。根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。通过光谱研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构和性能的知识。光谱学本身是一门科学，同时它也是一种科学手段。第十四页，共八十页，2022年，8月28日THZ第十五页，共八十页，2022年，8月28日光谱的分类频率

X射线衍射，紫外-可见吸收光谱仪，红外吸收光谱仪……电磁波传播和接收方式衍射、散射、透射、吸收和发射光谱第十六页，共八十页，2022年，8月28日紫外-可见吸收光谱紫外吸收光谱和可见吸收光谱都属于分子光谱，他们是由于价电子的跃迁产生的。利用物质的分子或离子对紫外和可见光的吸收所产生的紫外可见吸收程度可以对物质的组成、含量和结构进行分析、测定和推断。第十七页，共八十页，2022年，8月28日第十八页，共八十页，2022年，8月28日1、光源：提供入射光装置。钨灯（350-1000nm）和氘灯（180-360nm）。2、单色器：是将光源辐射的复合光分成单色光的光学装置。单色器一般由狭缝、色散元件和透镜系统组成，其中色散元件是单色器的核心部件，最常见的色散元件是棱镜和光栅。第十九页，共八十页，2022年，8月28日3、吸收池：是用于成装被测量溶液的装置。一般可见光区使用玻璃吸收池，紫外区用石英吸收池（规格有很多）。4、检测器：检测器是将光信号变为电信号的装置（硒光电池、光电管、光电倍增管和CCD）第二十页，共八十页，2022年，8月28日第二十一页，共八十页，2022年，8月28日第二十二页，共八十页，2022年，8月28日第二十三页，共八十页，2022年，8月28日第二十四页，共八十页，2022年，8月28日第二十五页，共八十页，2022年，8月28日第二十六页，共八十页，2022年，8月28日红外吸收光谱仪（中）红外吸收光谱：当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。所以，红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，就得到红外光谱图。第二十七页，共八十页，2022年，8月28日第二十八页，共八十页，2022年，8月28日第二十九页，共八十页，2022年，8月28日第三十页，共八十页，2022年，8月28日第三十一页，共八十页，2022年，8月28日第三十二页，共八十页，2022年，8月28日仪器原理图第三十三页，共八十页，2022年，8月28日第三十四页，共八十页，2022年，8月28日第三十五页，共八十页，2022年，8月28日第三十六页，共八十页，2022年，8月28日拉曼散射光谱Ramanscatteringspectroscopy

某一频率的单色光经介质散射后出现其他频率散射光，且散射光频率与入射光频率之差和散射介质的某两能级差相对应的现象。第三十七页，共八十页，2022年，8月28日拉曼散射（Ramanscattering），光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年，印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两侧对称地伴有频率为v0±vi(i＝1，2，3，…）的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线；频率差vi

与入射光频率v0无关，由散射物质的性质决定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一致第三十八页，共八十页，2022年，8月28日第三十九页，共八十页，2022年，8月28日拉曼分类自发拉曼（SpontaneousRamanscattering）共振拉曼（ResonanceRamanscattering）表面增强拉曼（surface-enhancedRamanscattering）受激拉曼(StimulatedRamanscattering)相干反斯托科斯拉曼（coherentanti-StokesRamanscattering）第四十页，共八十页，2022年，8月28日拉曼光活性光谱（Ramanopticalactivity）针尖拉曼（Tip-enhancedRamanspectroscopy）应用广泛：在化学、材料、物理、高分子、生物、医药、地质、考古等领域有广泛的应用。第四十一页，共八十页，2022年，8月28日第四十二页，共八十页，2022年，8月28日Ramanmicrospectroscopysystem第四十三页，共八十页，2022年，8月28日Highpressuretechniquesandapplications第四十四页，共八十页，2022年，8月28日Index1、In-situhigh-pressuretechniques2、HighpressureRamaninvestigationsonFermiresonance3、Highpressureinvestigationsonπ-πandCH-πinteraction

第四十五页，共八十页，2022年，8月28日1、In-situhigh-pressuretechniques

P-T-XThreedimensionsinscienceWaterhas20phasesinthepressurerangebetween0to300GPa,at0.03-6000K.第四十六页，共八十页，2022年，8月28日第四十七页，共八十页，2022年，8月28日第四十八页，共八十页，2022年，8月28日Diamondwindowsonmaterials1.Superconductivity2.Weakinteractions3.Hydrogenstorage4.Metalization5.Superhardmaterials6.Amorphous7.Geologicalsimulation第四十九页，共八十页，2022年，8月28日Diamondanvilcell第五十页，共八十页，2022年，8月28日Diamondcell第五十一页，共八十页，2022年，8月28日Apparatusforextremeconditiongeneration

第五十二页，共八十页，2022年，8月28日第五十三页，共八十页，2022年，8月28日In-situhighpressureequipments第五十四页，共八十页，2022年，8月28日2、HighpressureRamaninvestigationsonFermiresonancebiphenyl,benzene,CCl4,CS2,4,4’biphydineWeakFermiresonance:P-trephenyl,2,2’bipyridine第五十五页，共八十页，2022年，8月28日2、HighpressureRamaninvestigationontheFermiresonanceofbiphenylRamanspectraofbiphenylhavebeenobtainedtopressuresof15GPa.Theresultsindicatedthatwiththeincreaseofpressure,theeffectofinter-andintra-molecularπ-πconjugationanddelocationincreases,intensityenhancementoftheRamanbands,accompanybytheblueshiftofthefrequency.Intensityratio(Rf/a)ofTwoFermiresonancebandsυ6’+υ1’andυ8’decrease,andthefrequencydistance∆increasewiththepressure,theFermiresonancephenomenondisappearedwhenthepressureisupto8GPa.UsingJ.F.Bertrantheory,weobtainedtherelationshipoftheinherentfrequencydistance∆0andcouplingcoefficientωwithpressure.Thisphenomenonwasexplainedbyhigh-pressurephasetransitionmethods.ThemechanicofhighpressureinduceFermiresonanceweakenwasalsodiscussed.第五十六页，共八十页，2022年，8月28日Ramanspectraofbenzeneandbiphenyl第五十七页，共八十页，2022年，8月28日Ramanmodeslocatedat1280and248cm-1第五十八页，共八十页，2022年，8月28日Ramanmodeslocatedat998and1024cm-1第五十九页，共八十页，2022年，8月28日Fermiresonanceasafunctionofpressure第六十页，共八十页，2022年，8月28日第六十一页，共八十页，2022年，8月28日Fermiresonanceofbiphenylundercompression第六十二页，共八十页，2022年，8月28日J.Phys.Chem.B,Vol.108,4178,2004Muruganet第六十三页，共八十页，2022年，8月28日Theamplitudeofthetorsionalmotiondecreasessignificantlywithincreaseinpressureupto0.8GPa,butbeyond,thisitdecreasesonlymarginally.Thedecreaseinthedihedralanglebetweentwophenylringscausesgreateroverlapofthepielectronsandthisleadstothecontinuallyintensityenhancement.第六十四页，共八十页，2022年，8月28日第六十五页，共八十页，2022年，8月28日第六十六页，共八十页，2022年，8月28日Reference周密*,张鹏,刘铁成,许大鹏,姜永恒,高淑琴里佐威.压强对苯分子费米共振的影响.物理学报2010,59,210-214.刘铁成,周密,高淑琴,里佐威,李占龙,张鹏,李亮,吕天全,许大鹏.PhaseTransitioninCCl4underPressure:aRamanSpectroscopicStudy.Chinesephysicsletter.2009,26,070701.

周密,李占龙,陆国会,李东飞,孙成林,高淑琴,里佐威.高压拉曼光谱方法研究联苯分子费米共振.物理学报(inpress)第六十七页，共八十页，2022年，8月28日3、Highpressureinvestigationsonπ-πandCH-πinteractionMeso-substituteporphyrinAromaticcompounds(benzene,biphenyl,naphthalene,aniline,N-phenylaniline,4,4’biphyridine,2,2’biphyridine)Supermolecularcompounds(Squaricacidand4,4’-bipyridine1:1adduction)第六十八页，共八十页，2022年，8月28日第六十九页，共八十页，2022年，8月28日3、highpressureRamaninvestigationsonporphyrinJ-aggregates第七十页，共八十页，2022年，8月28日RamanspectrumofTppJ-aggregatesatdifferentpressures第七十一页，共八十页，2022年，8月28日第七十二页，共八十页，2022年，8月28日第七十三页，共八十页，2022年，8月28日HOMO-1160AU-0.19206HOMO161BU-0.18079DFTB3LYP3-21G*15751539第七十四页，共八十页，2022年，8月28日第七十五页，共八十页，2022年，8月28日MorphologyofTppJ-aggregatesandtheproposedmodeofmolecularspringwashers.第七十六页，共八十页，2022年，8月28日Reference[1].

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