光與物質(zhì)相互作用50344.ppt

1、a,1,光和物質(zhì)相互作用,組員：* * 光科13*,a,2,目錄,發(fā)光的物理研究 光的吸收 光的色散 光的散射 激光原理及其應(yīng)用舉例,a,3,1.發(fā)光定義、特征,什么是發(fā)光？ 發(fā)光就是物質(zhì)在熱輻射之外以光的形式發(fā)射出多余的能量，而這種多余能量的發(fā)射過程具有一定的持續(xù)時間。 發(fā)光區(qū)別于光的散射、反射等物理過程。 發(fā)光的兩個主要特征 發(fā)出的總輻射中超出熱輻射的部分； 當(dāng)激發(fā)源停止對物體的作用后，發(fā)光現(xiàn)象還會持續(xù)一定的時間。,發(fā)光的物理研究,a,4,2.發(fā)光的分類,按被激發(fā)的方式分類 光致發(fā)光photoluminescence 電致發(fā)光electroluminescence 陰極射線發(fā)光cathod

2、e luminescence X射線發(fā)光及高能粒子發(fā)光 化學(xué)發(fā)光 生物發(fā)光 按照輻射方式分類 自發(fā)輻射 受激輻射 受激吸收,發(fā)光的物理研究,a,5,3.發(fā)光的物理機(jī)理,電子沿著一個個分立的軌道繞核旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電子在確定的軌道上運(yùn)動時，原子具有確定的能量。 電子從一個軌道躍遷到另一個軌道，原子或分子就從一個能態(tài)躍變到另一能態(tài)，同時伴隨著能量的變化。 電子在不同軌道之間躍變，原子向外釋放或吸收能量。,發(fā)光的物理研究,a,6,3.發(fā)光的物理機(jī)理,原子從一個定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，會發(fā)射或吸收一個光子，頻率 輻射頻率公式 每一個輻射光子稱作一個波列 每個波列持續(xù)時間約10-8s 原子或分子的發(fā)光過程是彼此獨(dú)立

3、的、隨機(jī)的 光源發(fā)出的連續(xù)光波實(shí)際上是大量原子或分子發(fā)光的總效果。,發(fā)光的物理研究,a,7,3.發(fā)光的物理機(jī)理,發(fā)射光譜 原子發(fā)射光譜 原子的發(fā)射光譜是線狀光譜 每種原子有其獨(dú)特的發(fā)射光譜識別不同原子的標(biāo)志 分子發(fā)射光譜 若干光譜帶組成的帶狀光譜 分子能級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜 分子的轉(zhuǎn)動能級間的躍遷發(fā)出遠(yuǎn)紅外輻射；振動能級間的躍遷發(fā)出中紅外輻射；而電子能級間的躍遷發(fā)出可見光和紫外輻射。,發(fā)光的物理研究,a,8,1.光與物質(zhì)的作用,當(dāng)光波在媒質(zhì)中傳播時，由于光波和物質(zhì)的相互作用，一般呈現(xiàn)兩種效應(yīng),光的吸收,光波和物質(zhì)作用的兩種效應(yīng),折射和雙折射現(xiàn)象（速度減慢）,消光現(xiàn)象,散射 (scattering)現(xiàn)

4、象,吸收 (absorption)現(xiàn)象,(部分光波沿其它方向傳播),(光能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量),（光能減弱）,a,9,光的吸收,a,10,光吸收的類型,一般吸收（ general absorption ） 在給定的波段范圍內(nèi)，若介質(zhì)對光的吸收很少，而且光吸收量與波長無關(guān)。在可見光范圍內(nèi)，一般吸收意味著光通過介質(zhì)后不改變顏色而只改變強(qiáng)度。 選擇吸收（selective absorption ） 在給定的波段范圍內(nèi)，媒質(zhì)吸收某種波長的光能比較顯著。在可見光范圍內(nèi)，選擇吸收意味著光通過介質(zhì)后既改變顏色也改變強(qiáng)度。,光的吸收,a,11,朗伯定律 比爾定律,朗伯定律 稱為吸收系數(shù)，“”號表示隨 x 增

5、加 I 減小。 將上式積分：,光的吸收,I,I-dI,a,12,光的吸收,（朗伯定律的數(shù)學(xué)形式）,引入透光率 T 和吸收度 A ，并定義 ，,，上式表示為,實(shí)驗(yàn)表明，在光強(qiáng)變化相當(dāng)大的范圍（約1020倍）內(nèi)，透射光強(qiáng)度滿足朗伯定律的數(shù)學(xué)形式。因此，朗伯定律適用于光強(qiáng)變化相當(dāng)大的場合。,a,13,光的吸收,比爾定律,比爾定律是朗伯定律在溶液情形下的應(yīng)用。,稀溶液的吸收系數(shù)與溶液濃度有關(guān)，即,朗伯定律可變?yōu)椋?是一個與濃度無關(guān)的常數(shù)，它表征了吸收物質(zhì)的分子特性，C 為溶液的濃度。,吸收度A與濃度 C 呈線性關(guān)系,（比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式）,a,14,光的吸收,實(shí)際測量中觀察到吸收度與濃度關(guān)系偏離線性

6、的情況，說明比爾定律的成立是有條件的。,比爾定律只在溶質(zhì)分子的吸收本領(lǐng)不受它周圍鄰近分子的影響時才成立。,光的反射、散射、溫度、時間、壓力等都會對比爾定律產(chǎn)生影響 。,朗伯定律始終成立，但比 爾定律有時不一定成立。,a,15,吸收光譜,光的吸收,當(dāng)一束復(fù)色光透過一定厚度的介質(zhì)時，利用介質(zhì)對光的吸收作用因波長而異，可產(chǎn)生吸收光譜。,產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源所發(fā)的光，通過具有選擇吸收特性的物質(zhì)后，用光譜儀可以觀察到，在連續(xù)的發(fā)射光譜中，呈現(xiàn)出與發(fā)生吸收的波長區(qū)域相對應(yīng)的一些暗線或暗帶，這就是吸收光譜。,紫外可見光分光光度計原理圖,a,16,光的吸收,若用原子化裝置代替樣品室，就可得到某元素的原子吸收光譜

7、。所謂原子化就是使待測樣品中的原子達(dá)到霧化狀態(tài)，并保證霧化原子處于基態(tài)。這樣一旦有外來光照，原子便可吸收外來光，產(chǎn)生吸收光譜。,每種元素都有其特征吸收波長和吸收光譜,原子吸收光譜廣泛應(yīng)用于定量分析中,鈉原子吸收光譜,對于氣體、液體和固體而言，一般在紅外區(qū)有選擇吸收。吸收譜線寬度增大且組成連續(xù)譜帶，稱為帶狀光譜。紅外光譜分析常用于科學(xué)研究及生產(chǎn)實(shí)踐中。,a,17,光的吸收,原子吸收光譜的應(yīng)用,探測太陽的元素構(gòu)成,太陽光譜是典型的暗線吸收光譜，在其連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條的暗線，稱為夫瑯禾費(fèi)譜線。這些譜線是處于較低溫度的太陽大氣中的原子，對更加熾熱的內(nèi)核發(fā)射的連續(xù)光譜進(jìn)行選擇吸收的結(jié)果。將這些

8、吸收譜線的波長，與地球上已知 物質(zhì)的原子發(fā)射光譜進(jìn)行比較， 發(fā)現(xiàn)太陽表面層中主要包含有 氫、氦，還有鈉、氧、鐵和鈣 等60多種元素。氦元素首先就 是在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)的。 原子吸收光譜的靈敏度很高， 混合物或化合物中原子含量極 少的變化，都會在光譜中反映 出吸收系數(shù)很大的改變。歷史 上，曾靠這種方法發(fā)現(xiàn)了銫、銣、鉈、銦和鎵等多種元素。,a,18,光的吸收,原子吸收光譜在化學(xué)的定量分析中有廣泛的應(yīng)用,帶狀吸收光譜用來定性鑒定或定量測定有機(jī)化合物，研究分子力和分子結(jié)構(gòu)。 分子氣體、液體和固體一般在紅外波段有選擇吸收，吸收譜線密集地組成帶狀，形成帶狀吸收光譜。 不同的分子有其顯著不同 的紅外吸收光譜，

9、即使是分子量 相同且其他物理化學(xué)性質(zhì)也基本 相同的同質(zhì)異構(gòu)體，它們的紅外 吸收光譜也明顯不同。,a,19,光的色散,光的色散,a,20,色散率,光的色散,光在物質(zhì)中傳播時，其速度將比真空中小，而且不同頻率的光在同一物質(zhì)中的傳播速度不同。因此，物質(zhì)的折射率隨光的波長的不同而改變，這一現(xiàn)象稱為色散。色散現(xiàn)象也是光和物質(zhì)相互作用的結(jié)果 。,對于給定的介質(zhì)而言，折射率n是波長的函數(shù)，即 nn(),色散率,a,21,光的色散,棱鏡折射率與頂角 和最小偏向角 關(guān)系,測得不同波長的光線通過棱鏡的最小偏向角，可以按照上式計算出棱鏡對不同波長的光的折射率，從而可繪出棱鏡的色散曲線（即折射率n與波長的關(guān)系曲線）。

10、,a,22,正常色散,光的色散,幾種材料的色散曲線,曲線特點(diǎn)：,具有以上特點(diǎn)的色散稱為正常色散 。,波長越短，折射率n越大；,波長 越短，色散率 越大；,波長 很長時，折射率n趨于定值；,不同物質(zhì)的色散曲線沒有簡單的相似關(guān)系。,a,23,光的色散,科希于1836年給出了正常色散的折射率與波長的函數(shù)關(guān)系：,式中 為真空中的波長，A、B、C 為取決于介質(zhì)性質(zhì)的常量，其數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)測定。,當(dāng)波長變化范圍不大時，上式可簡化為,介質(zhì)的色散率,上式表明dn/d N2 ,吸收為主,N2 N1 , 受激輻射為主,只有N2 N1才能受激比吸收多，光放大,粒子數(shù)反轉(zhuǎn),熱平衡時，高能級上原子數(shù)目極少, 吸收比受激輻

11、射多,受激輻射、吸收幾率與對應(yīng)原子數(shù)成正比,非熱平衡,a,37,激光原理及其應(yīng)用舉例,原子激發(fā)的幾種基本方式：,1氣體放電激發(fā),2原子間碰撞激發(fā),3光激發(fā)(光泵),三能級系統(tǒng),四能級系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)!,必須采取特殊辦法,非熱平衡,非熱平衡,a,38,激光原理及其應(yīng)用舉例,He-Ne激光器中Ne氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實(shí)現(xiàn),電子,He,21s,23s,亞穩(wěn)態(tài),Ne,3s,2s,3p,2p,1150nm,632.8nm,3390nm,電子經(jīng)電場加速后，與 He 碰撞。處于激發(fā)態(tài)的 He 與 Ne 碰撞，把能量傳遞給 Ne，使它在亞穩(wěn)態(tài)（3s、2s）和激發(fā)態(tài)（3p、2p）之間形成反轉(zhuǎn)分布。,a,39,激

12、光器組成部分,激光原理及其應(yīng)用舉例,光束在諧振腔內(nèi)來回震蕩，在工作物質(zhì)中的傳播使光得以放大，并輸出激光。,光學(xué)諧振腔,使某一方向、某一頻率的輻射不斷得到加強(qiáng)，其它方向、其它頻率的輻射受到抑制的裝置,a,40,激光的應(yīng)用舉例,激光原理及其應(yīng)用舉例,激光與物質(zhì)相互作用 是激光應(yīng)用的重要基礎(chǔ).,a,41,激光原理及其應(yīng)用舉例,激光升溫與相變應(yīng)用,軋輥激光表面相變硬化,鋼軌激光表面強(qiáng)化,a,42,激光原理及其應(yīng)用舉例,激光氣化應(yīng)用,激光照射材料,材料反射與吸收,溫度快速升高,材料熔化氣化,激光燒蝕,材料去除,a,43,激光原理及其應(yīng)用舉例,飛秒激光誘導(dǎo)令石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸Y(jié)構(gòu),物理評論聚焦2008年22卷8月1日,紫外光固化 快速成型 2010，獲得國家科技進(jìn)步一等獎,激光化學(xué)與立體光造型,a,44,激光原理及其應(yīng)用舉例,激光等離子體應(yīng)用激光推進(jìn),運(yùn)行中的光船。所見亮光是在飛行器邊緣下方燃燒的空氣。,當(dāng)激光器發(fā)射脈沖時，會不斷加熱空氣直至燃燒?？諝馊紵龝a(chǎn)生閃光