光与物质相互作用.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光与物质相互作用,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,2,1.,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,3,2.,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 luminescence,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,4,3.,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,5,3.,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,-8,s,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。,发光的物理研究,6,3.,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,7,1.,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),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）,8,大家学习辛苦了，还是要坚持,继续保持安静,9,光的吸收,10,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,11,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,0,I,I,I,-d,I,12,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。,13,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）,14,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。,15,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。,光源,单色仪,样品室,检测仪,放大仪,计算机输出装置,紫外可见光分光光度计原理图,16,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。,17,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,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。,18,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,也明显不同。,19,光的色散,光,的色散,20,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,n,n,(,),色散率,21,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）,。,22,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。,23,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,d,n,/d,N,2,吸收为主,N,2,N,1,受激辐射为主,只有,N,2,N,1,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,37,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,2,原子间碰撞激发,3,光激发,(,光泵,),无辐射跃迁,E,!,E,3,E,2,激发态,亚稳态,基态,三能级系统,四能级系统,泵浦,无辐射跃迁,泵浦,E,!,E,4,E,3,激发态,亚稳态,基态,E,2,实现粒子数反转,!,必须采取特殊办法,非热平衡,非热平衡,38,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,碰撞,He,2,1,s,2,3,s,碰撞,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,（,3,p,、,2,p,）,之间形成反转分布。,39,激光器组成部分,激光原理及其应用举例,泵浦源,全反射镜,部分反射镜,激光,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,40,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,是激光应用的重要基础,.,41,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,42,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,43,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,44,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。,45,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,46,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,47,