1、光与物质相互作用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 luminescenceX射线发光及高能粒子发光
2、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，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。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。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。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，
3、会发射或吸收一个光子，频率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 辐射频率公式辐射频率公式每一个辐射光子称作一个每一个辐射光子称作一个波列波列每个波列持续时间约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续光波实际上是大量原子或分子发光的总效果。光源发出的连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hEEnk|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每种原子有其独特的发射光谱识别不同原子的标志识别不同原子的标志
4、分子发射光谱 若干光谱带组成的带状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能级结构非常复杂 分子的转动能级间的跃迁发出分子的转动能级间的跃迁发出远红外辐射远红外辐射；振动能级间的跃迁发出；振动能级间的跃迁发出中中红外辐射红外辐射；而电子能级间的跃迁发出；而电子能级间的跃迁发出可见光和紫外辐射可见光和紫外辐射。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，一般呈现两种效应效应光的吸收光波和物质作用的光波和物质作用的两种效应两种效应折射和双折射现象折射和双折射现象（速度减慢）（速度减慢）消光
5、现象消光现象散射散射(scattering)现象现象吸收吸收(absorption)现象现象(部分光波沿其它方向传播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转换成其它形式的能量)（光能减弱）（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光通过介质后不改变颜色而只改变强度。只改变强度。选择吸收（selective absorption）
6、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 比尔定律朗伯定律朗伯定律称为称为吸收系数吸收系数，“”号表示随号表示随 x 增加增加 I 减小。减小。将上式积分：将上式积分：光的吸收xIIddxIIlIIdd00lII0lnlnI0IlxxdII-dI光的吸收lIIe0（朗伯定律的数学形式）（朗伯定律的数学形式）引入透光率引入透光率 T 和吸收度和吸收度 A，并定义，并定义 ，0IIT IITA
7、0n11n1，上式表示为上式表示为lIITe0lIIA0n1 实验表明，在光强变化相当大的范围（约实验表明，在光强变化相当大的范围（约1020倍）内，透射光倍）内，透射光强度满足朗伯定律的数学形式。因此，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朗伯定律适用于光强变化相当大的场合。当大的场合。光的吸收比尔定律比尔定律比尔定律是朗伯定律在溶液情形下的应用。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，即稀溶液的吸收系数与溶液浓度有关，即C1 朗伯定律可变为：朗伯定律可变为：ClII1e0 是一个与浓度无关的常数，它表征了吸收物质的分子特性，是一个与浓度无关
8、的常数，它表征了吸收物质的分子特性，C 为溶液的浓度。为溶液的浓度。1ClIIA10n1吸收度吸收度A与浓度与浓度 C 呈线性关系呈线性关系（比尔定律的数学表达式）（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。成立是有条件的。比尔定律只在溶质分子的吸收本领不受它周围邻近分子的影比尔定律只在溶质分子的吸收本领不受它周围邻近分子的影响时才成立。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光的反射、散射、温度、时间、压力等都会对比尔定律产生影响影响。朗伯
9、定律始终成立，但比朗伯定律始终成立，但比尔定律有时不一定成立。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。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，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，这就是的波长区域相对应的一些暗线或暗带，这就是吸收光谱吸收光谱。光源光
10、源单色仪单色仪样品室样品室检测仪检测仪放大仪放大仪计算机输计算机输出装置出装置紫外可见光分光光度计原理图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。所谓谓原子化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。这样一旦有外来光照，原子便可吸收外来光，产生吸收光谱。基态。这样一旦有外来光照，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
11、分析中原子吸收光谱广泛应用于定量分析中 钠原子吸收光谱钠原子吸收光谱对于气体、液体和固体而言，对于气体、液体和固体而言，一般在红外区有选择吸收。一般在红外区有选择吸收。吸收谱线宽度增大且组成连吸收谱线宽度增大且组成连续谱带，称为续谱带，称为带状光谱带状光谱。红。红外光谱分析常用于科学研究外光谱分析常用于科学研究及生产实践中。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
12、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
13、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，这一现象称为改变，这一现象称为色散色散。色散现象也是光和物质相互作用的结果。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，折射率对于给定的介质而言，折射率n是波长是波长 的函数，即的函数，即 nn()色散率色散率ddn光的色
14、散棱镜折射率与顶角棱镜折射率与顶角 和最小和最小偏向角偏向角 关系关系2sin2sinn 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（即折射率折射率n与波长的关系曲线）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几种材料的色散曲线曲线特点：曲线特点：具有以上特点的色散称为具有以上特点的色散称为正常色散正常色散。波长波长 越短，折射率越短，折射率n越大；越大；波长波长 越短，色散率越短，色散率 越大；越大；
15、波长波长 很长时，折射率很长时，折射率n趋于定值；趋于定值；不同物质的色散曲线没有简不同物质的色散曲线没有简单的相似关系。单的相似关系。光的色散科希于科希于1836年给出了正常色散的折射率与波长的函数关系：年给出了正常色散的折射率与波长的函数关系：42CBAn 式中式中 为真空中的波长，为真空中的波长，A、B、C 为取决于介质性质的常量，其数为取决于介质性质的常量，其数值可由实验测定。值可由实验测定。当波长变化范围不大时，上式可简化为当波长变化范围不大时，上式可简化为2BAn介质的色散率介质的色散率 32ddBn 上式表明上式表明dn/d N2,吸收为主吸收为主 N2 N1,受激辐射为主受激辐
16、射为主只有只有N2 N1才能才能受激比吸收多，受激比吸收多，光放大光放大 热平衡时，高能级上原子数目极少热平衡时，高能级上原子数目极少,吸收比受激辐射多吸收比受激辐射多 受激辐射、吸收几率与对应原子数成正比受激辐射、吸收几率与对应原子数成正比 激光原理及其应用举例 原子激发的几种基本方式：原子激发的几种基本方式：1气体放电激发气体放电激发 2原子间碰撞激发原子间碰撞激发 3光激发光激发(光泵光泵)无辐射跃迁无辐射跃迁E!E3E2激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态三能级系统三能级系统 四能级系统四能级系统 泵浦泵浦无辐射跃迁无辐射跃迁泵浦泵浦E!E4E3激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态E2实现实现
17、粒子数反转粒子数反转!必须采取特殊办法必须采取特殊办法 激光原理及其应用举例He-Ne激光器中激光器中Ne气粒子数反转态的实现气粒子数反转态的实现 电子电子碰撞碰撞He21s23s碰撞碰撞亚稳态亚稳态Ne3s2s3p2p1150nm632.8nm3390nm 电子经电场加速后，与电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的碰撞。处于激发态的 He 与与 Ne 碰撞，碰撞，把能量传递给把能量传递给 Ne，使它在亚稳态，使它在亚稳态（3s、2s）和激发态和激发态（3p、2p）之间之间形成反转分布。形成反转分布。激光器组成部分激光原理及其应用举例泵浦源泵浦源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激
18、光激光 光束在谐振腔内来回震光束在谐振腔内来回震荡，在工作物质中的传播荡，在工作物质中的传播使光得以放大，并输出激使光得以放大，并输出激光。光。光学谐振腔光学谐振腔使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、其它频使某一方向、某一频率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物理化学生命科学技术激光微量元素检测光谱相干控制激光冷却激光催化飞秒化学标准确定光学信号处理激光视力测试激光美容激光手术材料加工通讯技术时间同步牙科应用激光与物质相互作用激光与物质相互作用 是激光应用的重要基础是激光应用的重要基础.激光原理及其应
19、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 激光照射材料材料反射与吸收温度快速升高奥氏体转变快速冷却马氏体转变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小零件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。空气燃烧会产生闪光 2010年新一期英国自然光子
20、学（Nature Photonics）杂志刊登报告说，瑞士等国研究人员向空气中发射一种高能量短脉冲激光，它会使照射路径上的氮气分子和氧气分子离子化。这些离子化的空气分子就成为天然的凝结核，促使水蒸气凝结为水滴。激光原理及其应用举例激光生物医学临床治疗医学测量和诊断显微外科手术 激光手术刀、治疗视网膜裂孔、眼底病变、矫正屈光不正，清除血管堵塞物，激光结合光敏药物治疗恶性肿瘤，激光美容等。激光多普勒流速计可以用非接触地法测量血流速度；激光流式细胞计技术能对大量细胞的多项指标进行快速测定；激光光谱分析法大大提高了分辨率、灵敏度；激光全息、激光透照等有独特的检查效果。激光聚焦照射并摧毁活细胞体内的某个区域；激光诱导细胞融合；激光裁剪DNA生物大分子等。激光与生物医学激光与生物医学激光美容激光手术激光矫正近视激光原理及其应用举例
