光谱学的基本知识
光谱学基础知识(3)
考虑各个能级的跃迁
Ak Aki
i
4
自发辐射跃迁几率：
由于自发辐射，激发态的粒子数 变化可以写成：
dNk Ak Nk dt
Nk t Nk 0 exp Ak t
经过时间k=1/Ak后，Nk下降到初始时的1/e, 称k为能级Ek的平均自发寿命
结论：一个能级的自发发射跃迁几率等于该能级的平均自发寿 命的倒数。
Байду номын сангаас
根据谱线宽带的定义： 1 2
I 1 I 2 I 0 / 2
D 2 20
Vp c
0
ln 2 8 kT c m
1 2
D
c
c
2 RT
热力学统计：
M N0 m R N0 k
ln 2 M
7.16 10 7 0 T / M
因此为了计算i需要计算距发光原子rrdr内最邻近粒子的几率prdr它等于drlaserspectroscopyitsapplication54考察相互作用的两个粒子根据相互作用势能表示式相互作用引起的频率变化等于用平均距离表示这个变化的平均值laserspectroscopyitsapplication55谱线的两线翼相应于频率变化的最大点对这两线翼影响最大的是那些距离r最小的最近的粒子
E (t ) E ( )e
i t
d
E ( )
1 2
0
E (t )e i t dt
Laser spectroscopy and its application
14
E(t ) E0 e
t 2
e
i0t
光谱基础知识解读
太阳光光谱紫外线谱带：波长280-400nm之间，其特点是穿透性强，可使人体皮肤黑色素沉积，颜色加深，过度的紫外线曝晒会导致皮肤癌，可导致地毯、窗帘、织物及家具油漆褪色。
可见光谱带：波长380~780nm之间，其特点是肉眼可以看见的唯一光谱，可见光波段进一步可以分为不同的颜色（赤橙黄绿蓝靛紫七色），对人体没有直接伤害。
红外光谱带：波长700~2400nm之间，其特点是我们可以直接感受到阳光“不可见”的热量，所含能量最大，所以热量也高。
各波段的远近红外线构成了太阳能的53%，紫外线占3%，可见光占44%。
元素光谱简介如果物质是以单原子的形式而存在，关键看该原子的电子激发能了。
如果在可见光的某个范围内，并且吸收某一部分光线，那它就显剩下的部分的光线的颜色。
如该原子的电子激发能非常低，可以吸收任意的光线，该原子就是黑色的，如果该原子的电子激发能非常高。
不能吸收任何光线，它就是白色的。
如果它能吸收短波部分的光线，那它就是红色或黄色的。
具体的元素光谱：红色代表硫元素，蓝色代表氧元素，而绿色代表氢元素。
元素燃烧发出的光谱燃烧所发出的光色根据不同的元素发出不同的光谱，每一种元素燃烧时都发出多条光谱，这种光通过三梭镜或光栅后会在屏障上显现出多条亮线，也就是说只发出有限的几种频率的光，这就是这种元素的光谱。
其中会有一条或几条最亮的线，这几条最亮的线决定了在人眼中所看到的颜色。
观察光谱的方法连续光谱的光线在通过含某种元素的气体时在光谱带上会出现多条暗线，这些暗线刚好与这种元素的光谱线位置相同，强度刚好相反，（光谱线越强的位置暗线越明显）这就是元素的吸收光谱。
天文学家就是利用吸收光谱来查明遥远的恒星大气和星云中所含的元素，观察恒星红移或蓝移也要利用吸收光谱。
观察固态或液态物质的原子光谱，可以把它们放到煤气灯的火焰或电弧中去烧，使它们气化后发光，就可以从分光镜中看到它们的明线光谱原子决定明线光谱实验证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种元素的原子都有一定的明线光谱．彩图7就是几种元素的明线光谱．每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线．利用原子的特征谱线可以鉴别物质和研究原子的结构。
谱学导论知识点总结
谱学导论知识点总结一、光谱学的基本原理1. 光谱学的基本概念光谱学是研究物质对不同波长的光的吸收、发射、散射和旋转的学科。
根据物质对光的作用过程，光谱学可以分为吸收光谱学、发射光谱学和散射光谱学三大类。
2. 物质对光的相互作用物质对光的相互作用包括吸收、发射和散射三种过程。
吸收是指物质吸收光能使得其内部电子激发或跃迁，发射是指物质受激而产生的光辐射，散射是指物质对入射光的重新分布，包括拉曼散射、光弹性散射等。
3. 分子的谱学分子的谱学包括振动光谱、转动光谱和电子光谱等。
振动光谱是研究分子振动能级的谱学，转动光谱是研究分子转动能级的谱学，电子光谱是研究分子电子能级的谱学。
4. 原子的谱学原子的谱学包括光吸收谱、光发射谱和原子荧光谱等。
光吸收谱是研究原子的电子能级的谱学，光发射谱是研究原子受激而产生的辐射的谱学，原子荧光谱是研究原子受激而发射的荧光的谱学。
5. 能级的结构和谱线的形成能级的结构是指不同能级之间的跃迁和能级的分布，谱线的形成是指分子或原子在不同能级之间跃迁形成的光谱线。
能级的结构和谱线的形成是光谱学研究的重要内容。
6. 光谱仪器的原理光谱仪器主要包括光源、光栅或棱镜、检测器等部分。
光源产生光，光栅或棱镜分离入射光的不同波长，检测器检测分离后的光信号。
光谱仪器的原理是实现光谱测量的基础。
二、各种光谱学方法的原理与应用1. 吸收光谱法吸收光谱法是通过测量物质对入射光的吸收来研究物质的光谱特性，包括紫外可见吸收光谱和红外吸收光谱两大类。
紫外可见吸收光谱主要用于研究有机物，红外吸收光谱主要用于研究无机物和大分子有机物。
2. 荧光光谱法荧光光谱法是通过测量物质受激而产生的荧光来研究物质的光谱特性，包括荧光光谱和磷光光谱两大类。
荧光光谱主要用于研究有机物，磷光光谱主要用于研究无机物和大分子有机物。
3. 拉曼光谱法拉曼光谱法是通过测量物质对入射光的拉曼散射来研究物质的光谱特性，包括拉曼散射光谱和共振拉曼光谱两大类。
《光谱学基础知识》课件
光谱学和现代科技
半导体工业
光谱学在半导体工业中发挥着 重要作用，用于材料表征、工 艺控制和器件测试等方面。
医学诊断
光谱学在医学诊断中有广泛应 用，例如红外光谱用于检测病 变组织，光谱成像技术用于肿 瘤检测。
环境监测
光谱学被应用于环境监测，如 红外光谱用于检测空气中的污 染物，紫外-可见光谱用于测定 水质。
光谱的分类
光谱可分为连续谱、发射谱 和吸收谱等不同类型，每种 类型提供有关物质的不同信 息。
光谱的性质
光谱具有特定的形状和特征， 这些特性能够展示物质的组 成、结构和活动。
分子光谱学
1
基本原理
分子光谱学探索分子与光的相互作用
应用
2
机制，研究分子的能级、转动和振动 等特性。
分子光谱学在化学、物理、生命科学
2 光的颜色
3 光的波长和频率
光的发射和吸收过程对 于光谱学研究至关重要， 揭示物质产生和吸收光 的机制。
光的颜色是由其波长决 定的，不同的波长呈现 出不同的颜色，反映物 质的特性。
光的波长和频率是描述 光的特性的基本参数， 它们决定了光的能量和 行为。
光谱的基本概念
光谱的定义
光谱是指将光按波长或频率 进行排列的图像或图谱，用 于研究光的成分和性质。
等领域有广泛的应用，如分析、结构
鉴定和药物研究。
3
发展前景
分子光谱学的发展前景广阔，有望在 新材料、能源和生物科技等领域实现 更多的突破。
原子光谱学
基本原理
原子光谱学研究原子在光的激发下吸收和发射特定波长的光，揭示原子的能级和性质。
应用
原子光谱学在分析化学、天文学和材料科学等领域有广泛应用，如元素检测和星际元素分析。
红外光谱学习必知知识
(1) 通常将红外光谱分为三个区域：近红外区(13330~4000cm-1)、中红外区(4000~400cm-1)和远红外区(400~10cm-1)。
通常所说的红外光谱即指中红外光谱。
(2)按吸收峰的来源，可以将4000~400cm-1的红外光谱图大体上分为特征频率区（4000~1300cm-1）以及指纹区（1300~400cm-1）两个区域。
其中特征频率区中的吸收峰基本是由基团的伸缩振动产生，数目不是很多，但具有很强的特征性，因此在基团鉴定工作没有强的特征性，主要是由一些单键C-O、C-N和C-X(卤素原子)等的伸缩振动及C-H、O-H等含氢基团的弯曲振动以及C-C骨架振动产生。
当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异。
这种情况就像每个人都有不同的指纹一样，因而称为指纹区。
指纹区对于区别结构类似的化合物很有帮助。
(3)在定性分析过程中，除了获得清晰可靠的图谱外，最重要的是对谱图作出正确的解析。
所谓谱图的解析就是根据实验所测绘的红外光谱图的吸收峰位置、强度和形状，利用基团振动频率与分子结构的关系，确定吸收带的归属，确认分子中所含的基团或键，进而推定分子的结构。
简单地说，就是根据红外光谱所提供的信息，正确地把化合物的结构“翻译”出来。
往往还需结合其他实验资料，如相对分子质量、物理常数、紫外光谱、核磁共振波谱及质谱等数据才能正确判断其结构。
红外光谱的分区400-2500cm-1:这是X-H单键的伸缩振动区。
2500-2000cm-1:此处为叁键和累积双键伸缩振动区2000-1500cm-1:此处为双键伸缩振动区1500-600cm-1:此区域主要提供C-H弯曲振动的信息(4)红外图谱的解析步骤1）准备工作在进行未知物光谱解析之前，必须对样品有透彻的了解，例如样品的来源、外观，根据样品存在的形态，选择适当的制样方法；注意视察样品的颜色、气味等，它们住往是判断未知物结构的佐证。
还应注意样品的纯度以及样品的元素分析及其它物理常数的测定结果。
光谱学知识：5重金属及微量元素分析原理
微量元素虽然在人体内的含量不多，但与人的生存和健康息息相关。它们的摄
入过量、不足、或缺乏都会不同程度地引起人体生理的异常或发生疾病。微量 元素最突出的作用是与生命活力密切相关，仅仅像火柴头那样大小或更少的量 就能发挥巨大的生理作用。值得注意的是
这些微量元素必须直接或间接由土壤供给。根据科学研究，到目前为止， 已被确认与人体健康和生命有关的必需微量元素有18种，即有铁、铜、锌、钴、 锰、铬、硒、碘、镍、氟、钼、钒、锡、硅、锶、硼、铷、砷等。
重金属污染的特点
(1)除被悬浮物带走的外，会因吸附沉淀 作用而富集于排污口附近的底泥 中，成为长期的次生污染源；(2)水中各种无机配位体(氯离子、硫酸离子 、氢氧离子等)和有机配位体(腐蚀质等)会与其生成络合物或螯合物，导 致重金属有更大的水溶解度而使已进入底泥的重金属又可能重新释放出来； (3)重金属的价态不同，其活性与毒性不同。其形态又随pH和氧化还原条 件而转化。
原子吸收是一个受激吸收跃迁的过程。当有辐射通过自由原子蒸气，
且入射辐射的频率等于原子中外层电子由基态跃迁到较高能态所需能 量的频率时，原子就产生共振吸收。原子吸
收分光光度法就是根据物质产生的
原子蒸气对特定波长光的吸收作用
来进行定量分析的。原子吸收光的
。 波长通常在紫外L I
缺锌：可多食鱼、牡蛎、瘦猪肉、牛肉、羊肉、动物肝肾、蛋类、可可、奶制 品、干酪、花生、芝麻、大豆制品、核桃、糙米、粗面粉等。 缺镁：可多食海带、紫菜、芝麻、大豆、糙米、玉米、小麦、菠菜、芥菜、 黄花菜、黑枣、香蕉、菠萝等。 缺碘：可多食海带、紫菜、海鱼、海虾等。 缺钙：可多食虾米、虾皮、蟹、鱼、海藻、海带、菠菜、骨头汤、大豆、 核桃、花生等。有害的微量元素铅,汞,等会造成疾病
激光光谱学
第一张基本概念：1.能级寿命是指自发辐射能级寿命，能级寿命与自发辐射系数互为倒数关系。
2.自发辐射与受激辐射的区别：(1)受激跃迁与自发辐射，前者与外场揉(谬)有关，而后者则只取决于原子、分子系统本身，与外场揉(谬)无关。
理论和实验证明受激辐射光子与入射光子具有四同（同频率、同位相、同波矢、同偏振），即受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（光波模式），受激辐射光是相干光，而自发辐射是非相干的随机过程。
(3)自发辐射系数A21与受激跃迁系数的关系：在热平衡条件下，能级E1、E2的粒子数N1、N2应保持平衡，则有: 3. 光子简并度n 为受激辐射几率与自发辐射几率之比，前者产生相干光子，后者产生非相干光子。
4. 激光器的三要素：（1）工作物质(气体、固体、液体、半导体等);(2）泵浦源：二者可实现粒子数反转，实现光放大。
（3）激光谐振腔 ---实现选模和光学正反馈。
5.线宽：分布函数半最大值所对应的频率宽度叫线宽—半最大值全宽，线宽内部分叫谱线的核,外部部分叫翼。
6.光谱学中常见的谱线展宽有：自然展宽、碰撞展宽、 Doppler 展宽。
自然加宽：由于自发辐射的存在，导致处于激发态的粒子具有一定的寿命，使得所发射的光谱具有一定的线宽称为自然加宽。
7.碰撞又分为弹性碰撞和非弹性碰撞：弹性碰撞，碰撞对之间没有通过无辐射跃迁所进行的内能交换时，称为弹性碰撞。
非弹性碰撞，碰撞对A 、B 在碰撞期间，A 的内能完全的或部分的转移给了B(或成为B 的内能或转变为A 、B 的平动动能)，有内能变化，称为非弹性碰撞，也叫淬灭碰撞。
小距离弹性碰撞主要引起谱线加宽，而大距离弹性碰撞主要引起频移。
8.Doppler 加宽：由于气体原子、分子的热运动而具有一定的速度分布，一定速度的粒子相对于探测器来讲，都会产生Doppler 频移，这样具有一定速度的粒子只对谱线的某一频率范围有贡献，总体效果使得谱线加宽，Doppler 加宽的谱线线型为高斯线型。
光吸收定律
光吸收定律光吸收定律是光谱学中的一个基本概念，描述了物质对于不同波长的光吸收的规律。
本文将从以下几个方面对光吸收定律进行详细介绍。
一、光谱学基础知识在介绍光吸收定律之前，需要先了解一些光谱学的基础知识。
1. 光谱：指将可见光按照波长分成一系列颜色，形成的连续或离散的条纹。
2. 光谱仪：用于分离和测量不同波长的光线，并将其转换为电信号输出的仪器。
3. 分子能级：分子在不同能量状态下所处的状态。
4. 能级跃迁：分子从一个能级跃迁到另一个能级所释放或吸收的能量。
二、光吸收定律定义根据光谱学中的实验结果，发现物质对于不同波长（或频率）的电磁辐射有选择性地吸收或透过。
这种现象被称为物质对于辐射的选择性吸收。
而根据实验结果得到了著名的“比尔-朗伯-伯勒特定律”，即物质在一定波长范围内对于辐射的吸收与物质浓度成正比，与辐射强度成反比。
这个定律被称为光吸收定律。
三、比尔-朗伯-伯勒特定律比尔-朗伯-伯勒特定律是光吸收定律的数学表达式，它描述了物质对于单色光（即波长相同）的吸收规律。
该定律可以表示为：A = εlc其中，A表示吸光度，ε表示摩尔吸光系数（或摩尔消光系数），l表示样品厚度，c表示物质浓度。
这个公式表明，在一定波长下，物质对于辐射的吸收与其浓度成正比，与样品厚度成正比。
而摩尔吸光系数则是一个常数，它描述了单位浓度下物质对于辐射的吸收程度。
四、分子能级和能级跃迁分子在不同能量状态下所处的状态被称为分子能级。
分子能级可以由外部能量激发而产生变化。
当分子从一个高能量态向低能量态跃迁时，会释放出一定波长的辐射，这个现象被称为发射。
而当分子从低能量态向高能量态跃迁时，会吸收一定波长的辐射，这个现象被称为吸收。
五、光谱学应用光谱学是一门研究物质结构、性质和反应机理的重要科学。
它广泛应用于化学、生物化学、环境科学等领域。
下面列举一些光谱学应用：1. 紫外可见光谱：用于测定分子中含有的双键、三键等共轭体系。
2. 红外光谱：用于测定分子中含有的官能团（如羧基、酮基等）以及分子结构。