光与物质相互作用最新版本ppt课件

1、.,光和物质相互作用,组员：* * 光科13*,.,目录,发光的物理研究 光的吸收 光的色散 光的散射 激光原理及其应用举例,.,1.发光定义、特征,什么是发光？ 发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量，而这种多余能量的发射过程具有一定的持续时间。 发光区别于光的散射、反射等物理过程。 发光的两个主要特征 发出的总辐射中超出热辐射的部分； 当激发源停止对物体的作用后，发光现象还会持续一定的时间。,发光的物理研究,.,2.发光的分类,按被激发的方式分类 光致发光photoluminescence 电致发光electroluminescence 阴极射线发光cathode lumine

2、scence X射线发光及高能粒子发光 化学发光 生物发光 按照辐射方式分类 自发辐射 受激辐射 受激吸收,发光的物理研究,.,3.发光的物理机理,电子沿着一个个分立的轨道绕核旋转，当电子在确定的轨道上运动时，原子具有确定的能量。 电子从一个轨道跃迁到另一个轨道，原子或分子就从一个能态跃变到另一能态，同时伴随着能量的变化。 电子在不同轨道之间跃变，原子向外释放或吸收能量。,发光的物理研究,.,3.发光的物理机理,原子从一个定态跃迁到另一定态，会发射或吸收一个光子，频率 辐射频率公式 每一个辐射光子称作一个波列 每个波列持续时间约10-8s 原子或分子的发光过程是彼此独立的、随机的 光源发出的连

3、续光波实际上是大量原子或分子发光的总效果。,发光的物理研究,.,3.发光的物理机理,发射光谱 原子发射光谱 原子的发射光谱是线状光谱 每种原子有其独特的发射光谱识别不同原子的标志 分子发射光谱 若干光谱带组成的带状光谱 分子能级结构非常复杂 分子的转动能级间的跃迁发出远红外辐射；振动能级间的跃迁发出中红外辐射；而电子能级间的跃迁发出可见光和紫外辐射。,发光的物理研究,.,1.光与物质的作用,当光波在媒质中传播时，由于光波和物质的相互作用，一般呈现两种效应,光的吸收,光波和物质作用的两种效应,折射和双折射现象（速度减慢）,消光现象,散射 (scattering)现象,吸收 (absorption

4、)现象,(部分光波沿其它方向传播),(光能转换成其它形式的能量),（光能减弱）,.,光的吸收,.,光吸收的类型,一般吸收（ general absorption ） 在给定的波段范围内，若介质对光的吸收很少，而且光吸收量与波长无关。在可见光范围内，一般吸收意味着光通过介质后不改变颜色而只改变强度。 选择吸收（selective absorption ） 在给定的波段范围内，媒质吸收某种波长的光能比较显著。在可见光范围内，选择吸收意味着光通过介质后既改变颜色也改变强度。,光的吸收,.,朗伯定律 比尔定律,朗伯定律 称为吸收系数，“”号表示随 x 增加 I 减小。 将上式积分：,光的吸收,I,I-

5、dI,.,光的吸收,（朗伯定律的数学形式）,引入透光率 T 和吸收度 A ，并定义 ，,，上式表示为,实验表明，在光强变化相当大的范围（约1020倍）内，透射光强度满足朗伯定律的数学形式。因此，朗伯定律适用于光强变化相当大的场合。,.,光的吸收,比尔定律,比尔定律是朗伯定律在溶液情形下的应用。,稀溶液的吸收系数与溶液浓度有关，即,朗伯定律可变为：,是一个与浓度无关的常数，它表征了吸收物质的分子特性，C 为溶液的浓度。,吸收度A与浓度 C 呈线性关系,（比尔定律的数学表达式）,.,光的吸收,实际测量中观察到吸收度与浓度关系偏离线性的情况，说明比尔定律的成立是有条件的。,比尔定律只在溶质分子的吸收

6、本领不受它周围邻近分子的影响时才成立。,光的反射、散射、温度、时间、压力等都会对比尔定律产生影响 。,朗伯定律始终成立，但比 尔定律有时不一定成立。,.,吸收光谱,光的吸收,当一束复色光透过一定厚度的介质时，利用介质对光的吸收作用因波长而异，可产生吸收光谱。,产生连续光谱的光源所发的光，通过具有选择吸收特性的物质后，用光谱仪可以观察到，在连续的发射光谱中，呈现出与发生吸收的波长区域相对应的一些暗线或暗带，这就是吸收光谱。,紫外可见光分光光度计原理图,.,光的吸收,若用原子化装置代替样品室，就可得到某元素的原子吸收光谱。所谓原子化就是使待测样品中的原子达到雾化状态，并保证雾化原子处于基态。这样一

7、旦有外来光照，原子便可吸收外来光，产生吸收光谱。,每种元素都有其特征吸收波长和吸收光谱,原子吸收光谱广泛应用于定量分析中,钠原子吸收光谱,对于气体、液体和固体而言，一般在红外区有选择吸收。吸收谱线宽度增大且组成连续谱带，称为带状光谱。红外光谱分析常用于科学研究及生产实践中。,.,光的吸收,原子吸收光谱的应用,探测太阳的元素构成,太阳光谱是典型的暗线吸收光谱，在其连续光谱的背景上呈现有一条条的暗线，称为夫琅禾费谱线。这些谱线是处于较低温度的太阳大气中的原子，对更加炽热的内核发射的连续光谱进行选择吸收的结果。将这些吸收谱线的波长，与地球上已知 物质的原子发射光谱进行比较， 发现太阳表面层中主要包含

8、有 氢、氦，还有钠、氧、铁和钙 等60多种元素。氦元素首先就 是在太阳光谱中发现的。 原子吸收光谱的灵敏度很高， 混合物或化合物中原子含量极 少的变化，都会在光谱中反映 出吸收系数很大的改变。历史 上，曾靠这种方法发现了铯、铷、铊、铟和镓等多种元素。,.,光的吸收,原子吸收光谱在化学的定量分析中有广泛的应用,带状吸收光谱用来定性鉴定或定量测定有机化合物，研究分子力和分子结构。 分子气体、液体和固体一般在红外波段有选择吸收，吸收谱线密集地组成带状，形成带状吸收光谱。 不同的分子有其显著不同 的红外吸收光谱，即使是分子量 相同且其他物理化学性质也基本 相同的同质异构体，它们的红外 吸收光谱也明显不

9、同。,.,光的色散,光的色散,.,色散率,光的色散,光在物质中传播时，其速度将比真空中小，而且不同频率的光在同一物质中的传播速度不同。因此，物质的折射率随光的波长的不同而改变，这一现象称为色散。色散现象也是光和物质相互作用的结果 。,对于给定的介质而言，折射率n是波长的函数，即 nn(),色散率,.,光的色散,棱镜折射率与顶角 和最小偏向角 关系,测得不同波长的光线通过棱镜的最小偏向角，可以按照上式计算出棱镜对不同波长的光的折射率，从而可绘出棱镜的色散曲线（即折射率n与波长的关系曲线）。,.,正常色散,光的色散,几种材料的色散曲线,曲线特点：,具有以上特点的色散称为正常色散 。,波长越短，折射

10、率n越大；,波长 越短，色散率 越大；,波长 很长时，折射率n趋于定值；,不同物质的色散曲线没有简单的相似关系。,.,光的色散,科希于1836年给出了正常色散的折射率与波长的函数关系：,式中 为真空中的波长，A、B、C 为取决于介质性质的常量，其数值可由实验测定。,当波长变化范围不大时，上式可简化为,介质的色散率,上式表明dn/d N2 ,吸收为主,N2 N1 , 受激辐射为主,只有N2 N1才能受激比吸收多，光放大,粒子数反转,热平衡时，高能级上原子数目极少, 吸收比受激辐射多,受激辐射、吸收几率与对应原子数成正比,非热平衡,.,激光原理及其应用举例,原子激发的几种基本方式：,1气体放电激发

11、,2原子间碰撞激发,3光激发(光泵),三能级系统,四能级系统,实现粒子数反转!,必须采取特殊办法,非热平衡,非热平衡,.,激光原理及其应用举例,He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现,电子,He,21s,23s,亚稳态,Ne,3s,2s,3p,2p,1150nm,632.8nm,3390nm,电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的 He 与 Ne 碰撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态（3s、2s）和激发态（3p、2p）之间形成反转分布。,.,激光器组成部分,激光原理及其应用举例,光束在谐振腔内来回震荡，在工作物质中的传播使光得以放大，并输出激光。,光学谐振腔,使某一方向、某一频率

12、的辐射不断得到加强，其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置,.,激光的应用举例,激光原理及其应用举例,激光与物质相互作用 是激光应用的重要基础.,.,激光原理及其应用举例,激光升温与相变应用,轧辊激光表面相变硬化,钢轨激光表面强化,.,激光原理及其应用举例,激光气化应用,激光照射材料,材料反射与吸收,温度快速升高,材料熔化气化,激光烧蚀,材料去除,.,激光原理及其应用举例,飞秒激光诱导令石墨转变为金刚石结构,物理评论聚焦2008年22卷8月1日,紫外光固化 快速成型 2010，获得国家科技进步一等奖,激光化学与立体光造型,.,激光原理及其应用举例,激光等离子体应用激光推进,运行中的光船。所见亮光是在飞行器边缘下方燃烧的空气。,当激光器发射脉冲时，会不断加热空气直至燃烧。空气燃烧会