第二章電磁波譜

第二章電磁波譜第一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四第一節(jié)電磁波的基本概念和性質(zhì)一、基本概念二、電磁波的特性第二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四一、基本概念電磁波電磁輻射波速波長(zhǎng)周期頻率振幅初相位第三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四電磁波是交變電磁場(chǎng)在空間的傳播，它是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，能量傳遞的一種特殊形式.電磁輻射電磁波能量的傳遞過程（包括輻射、吸收、透射等現(xiàn)象）波粒二象性電磁輻射具有波動(dòng)性和粒子（量子）性兩方面特征。波速波在單位時(shí)間內(nèi)傳播距離。電磁波在真空中的傳播速度為每秒3108米/秒（每秒30萬(wàn)公里），通常用C表示。第四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四波長(zhǎng)：是在同一波線上兩個(gè)相位差為2的質(zhì)點(diǎn)之間的距離，即一個(gè)完整波的長(zhǎng)度，以C表示周期：以任點(diǎn)開始，振動(dòng)傳播一個(gè)波長(zhǎng)所需的時(shí)間，以T表示。頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)波動(dòng)前進(jìn)過程中所包含的波數(shù)，以表示振幅：振動(dòng)點(diǎn)離開平衡位置兩邊的最大位移。以A表示，也稱強(qiáng)度初相位：波形的時(shí)間提前或延后量以表示。第五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、電磁波的特性電磁波疊加干涉衍射偏振多普勒效應(yīng)色散波粒二象性第六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四電磁波疊加當(dāng)振動(dòng)方向和振動(dòng)頻率均不同的多列電磁波在空間相遇時(shí)，相遇點(diǎn)的復(fù)合振動(dòng)等于各列波在該點(diǎn)的矢量和，而在其它位置各列波仍保持原有的特征（振動(dòng)方向、頻率等保持不變），因此，波的傳播是獨(dú)立的.干涉兩列頻率、振動(dòng)方向、相位都相同或相位差恒定的電磁波疊加時(shí)，某些部位振動(dòng)永遠(yuǎn)加強(qiáng)，而另一些部位的振動(dòng)永遠(yuǎn)減弱或完全抵消的現(xiàn)象，稱為電磁波的干涉衍射如果電磁波投射擊在一個(gè)它不能透過的有限大小的障礙物上，將會(huì)有一部分波從障礙物的邊界外通過，這部分波在超越障礙物時(shí)，會(huì)改變方向繞過其邊緣而達(dá)到障礙物后面的陰影區(qū)第七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四偏振通常電場(chǎng)強(qiáng)度在各方向（垂直于傳播方向的平面上）是相等的，若其總是固定在某個(gè)方向振動(dòng)，則稱電磁波在該方向被極化（偏振）。依電場(chǎng)強(qiáng)度與入射面（通常是地表面）的關(guān)系為水平極化（H）和垂直極化（V），水平極化兩者相互垂直，垂直極化兩者互相平行——一般可見近紅外波段稱偏振，微波波段稱極化。多普勒效應(yīng)當(dāng)一個(gè)頻率為f的電磁輻射源向著,或背著觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，則觀察者從這個(gè)源所接收到的輻射將具有另一個(gè)頻率f‘。如果輻射源向觀察者運(yùn)動(dòng)，f‘大于f，如果背離觀察者運(yùn)動(dòng)，則f‘小于f。第八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四色散當(dāng)進(jìn)入介質(zhì)時(shí)，不同波長(zhǎng)的光波在同一介質(zhì)中的波速就有差異而分解。波粒二象性波動(dòng)性－－主要表現(xiàn)為電磁波有干涉、衍射、偏振、散射等現(xiàn)象。粒子性－－電磁波實(shí)質(zhì)上是光子微粒流的有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，主要表現(xiàn)為電磁輻射的光電效應(yīng)、光化學(xué)作用等現(xiàn)象。較短波長(zhǎng)的電磁波主要表現(xiàn)出粒子性，波長(zhǎng)越短，粒子性表現(xiàn)愈明顯；而長(zhǎng)波電磁波則主要表現(xiàn)出波動(dòng)性第九頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二節(jié)電磁波譜及其產(chǎn)生機(jī)理一、電磁波譜的概念二、電磁波譜的產(chǎn)生的物理機(jī)制第十頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四一、電磁波譜的概念電磁波譜將各種電磁波按其波長(zhǎng)的（頻率）大小，依次排列成圖表，這個(gè)圖表就叫電磁波譜。電磁波是粒子（電子、原子、分子等）發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，到當(dāng)粒子從較高能級(jí)躍遷到較低能級(jí)時(shí)發(fā)射電磁波；反之，形成吸收電磁波。不同的粒子，發(fā)生不同的能級(jí)躍遷，產(chǎn)生不同能量，也就是不同波長(zhǎng)的電磁波。第十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、電磁波譜的產(chǎn)生的物理機(jī)制玻爾理論原子光譜分子光譜晶體光譜第十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四玻爾理論氫原子光譜：一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成實(shí)驗(yàn)證實(shí)：紫外——可見光——紅外均出現(xiàn)氫原子光譜，由不同線系組成。每一線系內(nèi)，譜線排列的間隔和強(qiáng)度均朝短波方向有規(guī)律地遞減。波長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)公式為：用波數(shù)表示為：R為理德伯常數(shù)第十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四

1）原子存在于一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)（定態(tài)），每一定態(tài)與一定的能量相對(duì)應(yīng)。定態(tài)下不產(chǎn)生輻射。2）原子定態(tài)是有限制的。電子動(dòng)量矩的整數(shù)倍的軌道才存在，即：上式稱主量子化條件；n=1,2,3,…正整數(shù)，稱主量子數(shù)；普朗克量子數(shù)3）原子只有從一個(gè)能量為E’的定態(tài)躍遷到另一個(gè)參量為E”的定態(tài)時(shí)才發(fā)射或吸收電磁輻射，其頻率為：第十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四氫原子半徑氫原子中的電子（帶一個(gè)-e電荷）半徑為r的圓形軌道上圍繞原子核（+Ze）運(yùn)動(dòng)時(shí)受兩個(gè)力作用：離心力及核對(duì)它的庫(kù)侖引力，二者大小相等：根據(jù)玻爾理論得：未激發(fā)基態(tài)半徑：激發(fā)基態(tài)半徑：第十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四氫原子量子化定態(tài)能量電子在半徑為r的軌道上的勢(shì)能為：；動(dòng)能為：總能量為：定態(tài)能量為：發(fā)生級(jí)躍遷時(shí)，輻射光子的波數(shù)為：與經(jīng)驗(yàn)公式完全一致第十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四其它原子要復(fù)雜原子核質(zhì)子、電子多橢圓形軌道第十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四原子光譜原子核能級(jí)間躍遷:原子核能級(jí)間躍遷能量數(shù)量級(jí)：產(chǎn)生的光子：γ射線內(nèi)層電子能級(jí)間躍遷：能量數(shù)量級(jí)：產(chǎn)生的光子：X射線外層電子的躍遷:能量數(shù)量級(jí)幾至數(shù)十產(chǎn)生紫外線、可見光和近紅外線第十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四分子光譜分子光譜：分子內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)比原子內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)復(fù)雜得多，除了電子躍遷外，還有分子內(nèi)原子的振動(dòng)與整個(gè)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)分子與原子一樣也有它的特征的分子能級(jí)圖，因此可以產(chǎn)生分子光譜。第十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四分子光譜分子的能量E為：E=Ee+Ev+ErEe：電子能級(jí)的能量，其數(shù)量級(jí)在1~20eV之間。Ev：振動(dòng)能級(jí)的能量，其數(shù)量級(jí)在0.05~1eV之間。Er：轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的能量，其數(shù)量級(jí)在10-4~0.05eV之間。第二十頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四HHOOHHOHHλ=2.738μmλ=2.663μm不同的振動(dòng)方式，產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的光子水蒸汽分子鍵長(zhǎng)不同變化產(chǎn)生不同的部分振動(dòng)光譜：λ=6.270μm第二十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四晶體光譜晶體中的吸收與發(fā)射光譜遠(yuǎn)比原子與分子復(fù)雜，產(chǎn)生的是連續(xù)光譜，其光譜范圍大約在紅外區(qū)3~30μm。第二十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四電磁波譜的劃分及各譜段的特性一、電磁波譜的劃分二、各譜段的特性(２)第二十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四一、電磁波譜的劃分波長(zhǎng)范圍不同的電磁波具有不同的特點(diǎn)。電磁波譜的劃分主要是根據(jù)不同波長(zhǎng)電磁波的特性來(lái)進(jìn)行的。第二十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、各譜段的特性宇宙射線r—射線x—射線紫外線可見光紅外線微波第二十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四宇宙射線波長(zhǎng)<10-8um，是來(lái)自宇宙天體具有很大能量和貫穿能力的電磁皮，人工還無(wú)法能產(chǎn)生。遙感上了未能用得上的波段。r—射線10-8—10-6um,是能量很高的波段。航空物探放射性測(cè)量所記錄的就是由含放射性元素的礦物所輻射出來(lái)的射線。x—射線波長(zhǎng)10-6—10-2um

，宇宙中來(lái)的—射線，被大氣層全部吸收，不能用于遙感工作。第二十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四波長(zhǎng)0.01—0.３８um。波長(zhǎng)小于0.28微米的紫外線；主要產(chǎn)生于內(nèi)層電子躍遷被臭氧層及其它成份吸收。只有波長(zhǎng)0.28—0.38的紫外線，能部分穿地大氣層，但散射嚴(yán)重，只有部分投射到地面，并使感光材料所感應(yīng)，可作為遙感工作波段，稱為攝影紫外?，F(xiàn)已開始用于監(jiān)測(cè)氣體污染及水體的油污染。紫外線第二十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四波長(zhǎng)0.38—0.76um是人眼可見，可以用棱鏡分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種色光;在太陽(yáng)輻射能中所占比例高；能透過大氣層；外層電子躍遷產(chǎn)生而地面物體對(duì)七色光多具有其特征的反射和吸收特性,故信息量最大；可以用攝影、掃描等各種方式成像，是遙感最常用的波段?？梢姽獠ǘ蔚倪b感技術(shù)最成熟，但仍然有很大潛力。當(dāng)前分辨能力最好的遙感資料，仍然是在可見光波段內(nèi)?？梢姽獾谌?yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期四波長(zhǎng)0.77—1000(um)。可分為近紅外波段（0.76—3um），中紅外（3—6um），遠(yuǎn)紅外（6—15um），超遠(yuǎn)紅外（15—1000um）近紅外波段是地表層反射太陽(yáng)的紅外輻射，故又稱反射紅外。其中靠近可見光紅光的0.76—1.3um波段可使膠片感光，故又稱攝影紅外。而中遠(yuǎn)紅外是地表物體發(fā)射的紅外線，反映物體的熱特征，故稱熱紅外。熱紅外只能用掃描方式，經(jīng)過光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換才能成象。主要為分子光譜超遠(yuǎn)紅外，處于非大氣窗口（大氣屏障）紅外是一個(gè)很有發(fā)展?jié)摿Φ倪b感波段。紅外線