原子分子光谱第六次

原子分子光谱第六次1第1页，共59页，2023年，2月20日，星期六能级寿命和宽度：当时，激发态i的原子数目减小为原来的1/e。EP（E）EiP（Ei）P（Ei）/2半高全宽回顾2第2页，共59页，2023年，2月20日，星期六tFT回顾3第3页，共59页，2023年，2月20日，星期六谱线宽度和线型：EI（E）E0=Ei-EkI0I0/2△E1.自然线宽：能级的寿命带来的谱线的自然地展宽△Ei△Ek原子或分子在两能态上的运动近似用一个具有阻尼的谐振子描述。洛伦兹线型回顾4第4页，共59页，2023年，2月20日，星期六2.多普勒宽增宽：发光原子或分子与接收器间的相对速度带来的接收到的辐射谱线的增宽我们称之为多普勒宽度。高斯线型：回顾5第5页，共59页，2023年，2月20日，星期六（1）碰撞作用使发光粒子突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的相位突变所引起的波列缩短，等效于寿命缩短。洛伦兹线型：回顾6第6页，共59页，2023年，2月20日，星期六例：氦氖激光器和CO2激光器的三种谱线增宽。T=300K,Ne

原子6328Å(632.8nm,红光)谱线不同机理的增宽:

此谱线主要机理是Doppler增宽回顾7第7页，共59页，2023年，2月20日，星期六AbsorbedTransmittedReflectedIncidentlightl0l0l0l0ll0ll0ElasticInelastic瑞利散射和拉曼散射回顾8第8页，共59页，2023年，2月20日，星期六散射光强与4成反比。把线度小于光的波长的微粒对入射光的弹性散射，称为瑞利散射。1.瑞利散射：回顾9第9页，共59页，2023年，2月20日，星期六2.拉曼散射

在散射光中出现与入射光频率不同的散射光，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回顾10第10页，共59页，2023年，2月20日，星期六CCl4的Raman光谱图回顾11第11页，共59页，2023年，2月20日，星期六光谱仪器组成：光源，单色器，样品容器，检测器（光电转换器；电子读出；数据处理及记录）。

光源或炽热固体样品容器分光系统光电转换信号处理器光源灯或激光样品容器分光系统光电转换信号处理器光源+样品分光系统光电转换信号处理器吸收荧光发射12第12页，共59页，2023年，2月20日，星期六典型光源:1、非热光源A气体放电光源。。－＋放电管高压镇流电阻

原子从较高的能级跃迁到较低的能级时，以辐射的方式释放能量，获得单色性优良的光波。13第13页，共59页，2023年，2月20日，星期六B金属蒸气电弧光源

在放电管中注入少量低熔点的金属元素如Na、Hg、Cs，金属原子将参与放电而被激励到高能级上，随后又自发地跃迁到基态或其他低能级而发光。C固态发光体固体材料受到外界激励后可产生光辐射。电致发光光致发光荧光：被激励到上能级的电子的寿命很短。磷光：被激励电子较长时间停留在上能级。D同步辐射光源加速运动的电荷以电磁波的形式辐射能量。14第14页，共59页，2023年，2月20日，星期六

任何固体或液体在任何温度下都向外辐射电磁波,固体在温度升高时颜色的变化。

由于物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度，所以称为热辐射。

1400K800K1000K1200K在室温下，物体所辐射的波段在远红外。2、热光源热能转变为辐射的光源。

在高温下，物体中的各类原子、分子可因热运动而改变其能量状态并辐射出各种波长的光波。光波为连续谱。15第15页，共59页，2023年，2月20日，星期六热光源与非热光源的区别:1.在热光源中是原子、分子的热运动能量转化为光辐射；而非热光源是电子跃迁产生辐射。

2.两者光谱不同。热光源为连续谱；而非热光源是各原子独立发光，多为分立的线光谱。3.热光源辐射的光谱与物质无关，其强度与物质的表面状态有关。16第16页，共59页，2023年，2月20日，星期六依据光源光谱性质不同，分为：连续光源：在较大范围提供连续波长的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等。线光源：提供特定波长的光源，金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、激光等。17第17页，共59页，2023年，2月20日，星期六18第18页，共59页，2023年，2月20日，星期六对光源的要求：强度大（分析灵敏度高）；稳定（分析重现性好）；且辐射能随波长的变化尽可能小，使用寿命长。19第19页，共59页，2023年，2月20日，星期六同步辐射的发现

1947年4月16日，美国纽约州通用电气公司的实验室中，正在调试一台能量为70兆电子伏的电子同步加速器，偶然从反射镜中看到了在水泥防护墙内的加速器里有强烈“蓝白色的弧光”，光的颜色随电子的能量变化而变化。当电子能量降到40兆电子伏时，光变为黄色；降到30兆电子伏时，变为红色且强度变弱；降到20兆电子伏时，就什么也看不见了。

这种由电子作加速运动时所辐射的电磁波是在同步加速器上首先发现的，所以人们就称它为“同步加速器辐射”，简称“同步辐射”。“同步辐射”的发现立即在当时的科学界引起轰动，为同步辐射光的广泛应用揭开了序幕。同步辐射20第20页，共59页，2023年，2月20日，星期六D形盒出射粒子束半径:周期:均匀磁场B

回旋加速器振荡器21第21页，共59页，2023年，2月20日，星期六直线加速器

实景示意22第22页，共59页，2023年，2月20日，星期六同步加速器示意图插入装置：产生各类不同特征的同步辐射同步加速腔：加速电子，并补充同步辐射损失的能量真空室：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，产生同步辐射同步加速器从直线加速器出来的带电粒子围绕着一个固定的环形轨道作回旋运动，并在回旋中加速，直至达到预期的能量。23第23页，共59页，2023年，2月20日，星期六

诺贝尔物理奖获得者费米曾在1954年提出环绕地球建一台加速器的设想，称为费米的梦。其能量可达数千TeV。

费米梦想的加速器如何建造更高能量的加速器，是摆在科学家和工程技术人员面前的重要课题。24第24页，共59页，2023年，2月20日，星期六同步辐射光源装置同步辐射光源的原理图直线加速器储存环光束线实验站25第25页，共59页，2023年，2月20日，星期六合肥中国科技大学电子同步辐射加速器的总体布局图速调管走廊200MeV电子直线加速器核物理实验大厅束流输运线800MeV电子储存环26第26页，共59页，2023年，2月20日，星期六一台同步辐射装置是一个非常复杂的高科技综合工程，造价十分昂贵。它的主体是一台同步加速器，在加速器的储存环中安排若干插入件，并在储存环上安装若干条光束线，在每条光束线的末端建立若干实验站。27第27页，共59页，2023年，2月20日，星期六储存环示意图插入件：产生各类不同特征的同步辐射同步加速腔：加速电子，并补充同步辐射损失的能量真空室：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，产生同步辐射1.储存环28第28页，共59页，2023年，2月20日，星期六29第29页，共59页，2023年，2月20日，星期六

对一个储存环来说，当电子能量确定时，它产生的同步辐射的特征能量也就完全确定，有什么办法使得在已有的同步辐射光源上进一步提高辐射光的能量呢?前苏联科学家金斯保发明一种插入元件来实现这个目的。a.扭摆器(Wiggler)由一组N极和S极周期相间的磁铁构成，安装在直线段真空盒的上下方,电子在扭摆器的磁场里作近似正弦曲线的扭摆运动。扭摆器的作用是在储存环的局部区域增大磁场，在局部形成小的电子轨道曲率半径，使得电子在作扭摆运动时发出的同步辐射有较大的特征能量，从而达到增加高能量光子数目的目的。插入件：b.波荡器(undulator)

波荡器实现能量不高，但是亮度很高的光子束。波荡器与扭摆器不同的地方，在于磁场弱周期长度短而数目多。电子在波荡器中运动的轨道也是近似于正弦曲线，但是振幅很小，如微微波荡，所以得名波荡器。由于波荡器的磁场不大，所以它产生的特征能量不高，但是它的周期多，而且从不同周期上产生的光部分相干地叠加在一起，结果使得同步光的亮度成百上千倍的增加。30第30页，共59页，2023年，2月20日，星期六

光束线是把在储存环内作加速运动的高能电子所产生的同步辐射光输送到实验站的装置，并根据不同的实验对光的波长的不同要求，把同步辐射光单色化并使之聚焦。总的来说，光束线的功能是把同步辐射光准直、聚焦、单色化。

2.光束线

在每条光束线上可建若干个实验站。不同的实验站作不同类型的科学研究，如材料、生命科学、医学等研究。不同的研究对象，对辐射光的波长、亮度、时间分辨等有不同的要求。在中国科技大学同步辐射实验室中现有光束线5条，已有实验站5个，在建和将建实验站9个。3.实验站31第31页，共59页，2023年，2月20日，星期六对于波长较长的软X射线与真空紫外光，可采用衍射光栅作单色仪。衍射光栅全反射镜光源四缝准直样品出口缝反射镜前置聚焦镜后置聚焦镜进入缝典型的光束线安排衍射光栅32第32页，共59页，2023年，2月20日，星期六软X射线显微术光化学时间分辨光谱光电子能谱光刻扩展X光吸收精细结构光声光热辐射标准与计量红外与远红外同步辐射实验站分布示意图33第33页，共59页，2023年，2月20日，星期六第一代同步辐射光源的加速器是因高能物理实验的需要而制造的，同步辐射光源则是一个副产品。我国北京的同步辐射装置是正负电子对撞机的一部分，属第一代。目前世界上在使用的约17台。同步辐射装置的发展已经历了三代：第三代是同步辐射光源的亮度更高、性能更好的光源。从1994年至今世界上已建成多台，它们分布在美、法、意、日、韩及台湾的新竹。我国上海正在计划建造的上海同步辐射装置，在性能上将比目前的第三代装置还要优越一些。第二代是专用型同步辐射光源，1991年在中国科技大学建成的合肥同步辐射光源、日本的光子工厂等就属于第二代光源。目前世界上运行的第二代同步辐射光源有23台之多。34第34页，共59页，2023年，2月20日，星期六35第35页，共59页，2023年，2月20日，星期六36第36页，共59页，2023年，2月20日，星期六37第37页，共59页，2023年，2月20日，星期六38第38页，共59页，2023年，2月20日，星期六一台同步辐射装置，在储存环中运行的电子的能量和轨道的弯转半径将决定这台同步加速器所辐射的光谱形状。光子能量范围从几个电子伏特到几十MeV，相应的波长从几微米到几百皮米(10-12米)，即从远红外到硬X射线。1.辐射光的波长覆盖面大且连续可调光子能量(eV)同步辐射特性39第39页，共59页，2023年，2月20日，星期六

同步辐射光是沿电子运动轨道的切线方向在一个很小的角度范围内发射出来的，在与轨道平面的垂直方向上所张的角度很小，因此有很好的准直性。3.有好的准直性e大功率的X光管的最大输出功率约10瓦2.有强的辐射功率同步辐射的功率可达几万瓦40第40页，共59页，2023年，2月20日，星期六在加速器储存环中电子以束团形式运动。电子束团密度决定了光脉冲的宽度。环形加速器的周长则决定了脉冲的周期，对于1个周长为L的加速器，由于能量为GeV量级，电子的速度已十分接近光速(V=0.99999987c)，所以脉冲周期为T=L/c。

如果电子束团长度为S，则脉冲的持续时间，即脉冲宽度为

t=S/c。4.具有很高的亮度由于同步辐射光功率强，而且又是在一个很小的立体角中发射出来的，能量高度集中，所以必然有很高的亮度。北京同步辐射装置所发射的光的亮度为1013，这是属于第一代装置，目前世界上已有第三代装置，亮度达1017～1018。5.脉冲光源，有特定的时间结构41第41页，共59页，2023年，2月20日，星期六在电子轨道平面中的同步辐射光是完全的线偏振光，光的电矢量就在电子的轨道平面内。这种偏振特性很有用，是普通X光所没有的。利用偏振光可研究生物分子的旋光性，也可以研究磁性材料。6.同步辐射是偏振光因为同步辐射光是电子在超高真空的环境中作加速运动而产生的，是特别“干净”，非常“纯”的光。不像X光管，管内有残余气体，而残余气体，受电子轰击也会发光。利用这种“干净”的光，可作微量元素的分析、表面物理研究、超大规模集成电路的光刻等。7.同步辐射是“光谱纯”的光42第42页，共59页，2023年，2月20日，星期六利用先进的加速技术，目前可以使电子束流在加速器中稳定循环运行十几到二十几个小时，保持电子能量与束流强度不变，从而使辐射光强有高度的稳定性。这对于要求高精度、高分辨率的重复性的实验是必要的。同步辐射还有一个很重要的性质，就是它的谱分布和谱光度都是可以精确计算的。利用这个性质，可把它作为标准来校准其它光源。

同步辐射光源的一大特点就是多用户和高稳定性，可同时容纳数百人同时实验。综上所述，同步辐射具有如此优良的特性，使得它在许多领域有着重要应用。8.高度稳定性43第43页，共59页，2023年，2月20日，星期六激光留待下节44第44页，共59页，2023年，2月20日，星期六分光系统

将由不同波长的“复合光”分开为一系列“单一”波长的“单色光”的器件。理想的100%的单色光是不可能达到的，实际上只能获得的是具有一定“纯度”的单色光，即该“单色光具有一定的宽度（有效带宽）。45第45页，共59页，2023年，2月20日，星期六入射狭缝准直镜物镜棱镜焦面出射狭缝f入射狭缝准直镜光栅物镜出射狭缝f棱镜和光栅作为分光元件的两类单色仪构成：狭缝；准直镜；棱镜或光栅；会聚透镜。46第46页，共59页，2023年，2月20日，星期六棱镜和光栅是光谱分析仪器中所使用的最主要的分光元件，但现代分析仪器多采用光栅作为分光元件。原因为：光栅对同样尺寸大小的色散元件可获得最好的波长分离，并且辐射沿焦面呈线性色散。对棱镜来说，短波的色散大于长波。47第47页，共59页，2023年，2月20日，星期六正常色散：随波长的增加，折射率下降。反常色散，一些物质在某些波长附近，随波长的增加折射率上升。1.棱镜棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长小的折射率大。48第48页，共59页，2023年，2月20日，星期六色散率：角色散率d

/d，表示偏向角对波长的变化。在最小偏向角时（折射线平行于棱镜底边），可以导出：

可见角色散率与折射率n及棱镜顶角有关。因此，增加角色散率d/d的方式有三：改变棱镜材料，玻璃比石英的折射率大，但玻璃只适于可见光区；增加棱镜顶角，这种办法将受到入射角大于临界角时发生全反射的限制,多选

60o；增加棱镜数目，但由于设计及结构上的困难，还有光强减小的问题。最多用2个。ib49第49页，共59页，2023年，2月20日，星期六线色散率dl/d或倒线色散率d/dl：它表示两条谱线在焦面上被分开的距离对波长的变化率：

可见线色散率除与角色散率有关外，还与会聚透镜焦距f及焦面和光轴间夹角有关。因此，增加透镜焦距；减小焦面与光轴夹角棱镜色散能力提高。

入射狭缝准直镜物镜棱镜焦面出射狭缝f50第50页，共59页，2023年，2月20日，星期六分辨率R：指将两条靠得很近的谱线分开的能力（Rayleigh准则），可表示为

其中，m---棱镜个数；b底边有效长度（cm）

分辨率随波长变化而变化，在短波部分分辨率较大，即棱镜分光具有“非匀排性”，这是棱镜分光最大的不足。刚可分辨0.81.051第51页，共59页，2023年，2月20日，星期六反射式棱镜单色仪的基本结构入射准直系统

由入射狭缝S1和准直凹面反射镜M1组成色散系统由可以绕O点转动的棱镜P以及与之固定在一起的平面镜M2构成出射聚光系统

由聚焦凹面反射镜M3和出射狭缝S2组成52第52页，共59页，2023年，2月20日，星期六2.光栅制作：以特殊的工具（如钻石），在硬质；磨光的光学平面上刻出大量紧密而平行的刻槽。以此为母板，可用液态树脂在其上复制出光栅。制作的光栅有平面透射光栅；平面反射光栅及凹面反射光栅。刻制质量不高的光栅易产生散射线及鬼线（Ghostlines）。

通常的刻线数为300-2000刻槽/mm。最常用的是1200-1400刻槽/mm（紫外可见）及100-200刻槽/mm（红外）。

53第53页，共59页，2023年，2月20日，星期