第三章：稀土元素的光谱特征及
稀土元素的能级跃迁和光谱特征109页PPT
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11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
稀土元素的能级跃迁和光谱特征
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6、黄金时代是在我们的前面，而不在 我们的 后面。
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7、心急吃不了热汤圆。
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8、你可以很有个性，但某些时候请收 敛。
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Hale Waihona Puke 9、只为成功找方法，不为失败找借口 (蹩脚 的工人 总是说 工具不 好)。
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10、只要下定决心克服恐惧，便几乎 能克服 任何恐 惧。因 为，请 记住， 除了在 脑海中 ，恐惧 无处藏 身。-- 戴尔． 卡耐基 。
元素周期表中稀土元素的特点与应用
元素周期表中稀土元素的特点与应用稀土元素是指原子序数为57至71之间的15种化学元素，它们在元素周期表中位于镧系元素下方的区域。
由于稀土元素具有一系列独特的物理和化学特性，它们在许多领域中具有重要的应用价值。
本文将探讨稀土元素的特点以及它们在不同领域中的应用。
一、稀土元素的特点1. 原子结构：稀土元素的原子结构比较复杂，外层电子结构的变化较小。
随着原子序数的增加，原子半径逐渐减小，原子核电荷增加，电子外层吸引力增强。
2. 磁性：稀土元素中的某些元素，如钕、钆等，表现出较强的磁性。
稀土元素的磁性主要来源于其内部配置的f电子。
这使得稀土元素在制备永磁材料等方面具有重要应用。
3. 化学反应性：稀土元素的化学反应性中等偏弱，容易与非金属元素发生反应，形成稀土化合物。
此外，稀土元素也能形成多种氧化态，具有较强的氧化性。
4. 光谱特性：稀土元素具有丰富的光谱特性，包括可见光和红外线范围。
这些特性使得稀土元素在激光器、荧光材料以及光纤通信等方面有广泛应用。
二、稀土元素的应用1. 电子技术领域：稀土元素在电子技术领域的应用非常广泛。
例如，镧系元素在显示器件中可用作磷光体，发出不同颜色的光，并形成彩色图像。
此外，稀土元素也可用于制备磁记录材料、半导体材料等。
2. 磁性材料：稀土元素在磁性材料中发挥着重要作用。
例如，钕铁硼永磁材料具有较高的磁性能，广泛应用于电机、声音设备、信息存储等领域。
其他稀土元素如铽、铒等也有磁性材料的应用。
3. 催化剂：稀土元素催化剂在化学工业中扮演重要角色。
稀土元素的催化剂可用于石油加工、化学合成、环境保护等各种反应中。
催化剂的加入能够提高反应速率和选择性，降低能量消耗。
4. 光电材料：稀土元素在光电材料方面有广泛应用。
稀土元素的光谱特性可用于制备激光器、荧光粉、发光二极管等器件。
稀土元素的发光稳定性高，具有较长的寿命。
5. 生物医学领域：稀土元素在生物医学领域的应用日益增多。
它们被用作示踪剂、荧光探针、抗肿瘤药物等。
稀有之光领略稀土元素的独特发光性能
稀有之光领略稀土元素的独特发光性能稀有之光：领略稀土元素的独特发光性能稀土元素是一类在自然界中含量较为稀少的元素，其中包括镧系和钪系元素。
这些元素以其独特的电子结构和发光特性而引起了科学家们的极大关注。
在最近的研究中，人们对稀土元素的发光性能进行了深入的探索，发现它们具有独特的发光特性，可以广泛应用于发光材料、光电器件等领域。
一、稀土元素的基本特性稀土元素是镧系和钪系元素的总称，具有特殊的电子结构和相对较高的原子序数。
它们的外层电子结构较为复杂，由于电子的不规则分布，稀土元素呈现出稀磁、光致发光、荧光、电致发光等多种特性。
正是这些特点使得稀土元素在光学领域发挥着重要作用。
二、稀土元素的发光特性稀土元素的发光特性主要来自于其复杂的电子能级结构。
在合适的激发条件下，稀土离子能够吸收能量并转化为光能，发出独特的发光信号。
这些发光信号在不同的元素和化合物中呈现出不同的光谱特征，如镧系元素的红、绿、蓝三原色发光和钪系元素的红外发光。
三、稀土发光材料的应用领域1. 发光器件：稀土元素被广泛应用于发光二极管（LED）和液晶显示器（LCD）等光电器件中。
通过控制稀土元素的掺杂浓度和能级结构，可以调控器件的发光颜色和亮度，从而实现全彩显示和高效能量转换。
2. 高效荧光体：稀土元素的荧光特性使其成为荧光体的理想材料。
稀土荧光体具有较高的荧光量子产率和长寿命，可用于红外探测、生物分析和荧光标记等领域。
3. 光催化材料：利用稀土元素的光催化性能，可以实现光解水产氢、净化废水和光催化合成有机物等反应。
稀土元素的光催化性能使得这些反应更加高效和环保。
四、稀土元素的应用前景稀土元素的发光性能和其他特殊性质使其在科学研究和技术应用中具有广阔的前景。
科学家们正不断地探索稀土元素的新特性和应用，以满足人们对高效能源和新型光电器件的需求。
然而，稀土元素的开采和应用也面临一些挑战和问题。
稀土元素资源的分布不均衡和开采过程中的环境污染等问题需要得到有效解决。
稀土材料的光学性质与光谱分析
稀土材料的光学性质与光谱分析引言稀土材料是指由稀土元素组成的材料，由于其独特的光学性质而受到广泛关注。
稀土材料的光学性质包括吸收、发射和激发的能量传递等方面，这对于光学器件的设计和应用具有重要意义。
光谱分析是研究稀土材料光学性质的主要方法之一，通过光谱分析可以获取材料在不同波长下的吸收和发射特性，从而了解其内部结构和能量转移过程。
本文将介绍稀土材料的光学性质以及光谱分析的原理和方法。
稀土材料的光学性质稀土材料具有丰富的光学性质，其中最重要的是它们在可见光波段的吸收和发射特性。
稀土离子的能级结构决定了它们在不同波长下的光学行为。
吸收特性稀土离子的能级结构可以使其在特定波长范围内吸收光能。
当光子的能量与稀土离子能级的能量差相匹配时，稀土离子会吸收光子的能量并跃迁到激发态。
这种吸收特性对于光学传感器和光电器件的设计非常重要。
发射特性稀土离子从激发态跃迁到基态时，会通过发射光子的方式释放能量。
这种能量的释放可以是荧光或者磷光的形式。
稀土材料的发射特性使得它们在荧光显示、固态激光器、药物标记等领域具有广泛应用。
能量传递过程稀土材料中的离子之间可以发生能量传递，这种传递通常通过非辐射跃迁实现。
能级之间的跳跃会导致能量从一个离子传递到另一个离子，从而影响整个材料的光学性质。
这种能量传递过程对于稀土材料的荧光效率和时间特性有重要影响。
光谱分析的原理和方法光谱分析是研究稀土材料光学性质的重要手段，在分析稀土材料的光谱特性时，主要使用的方法有吸收光谱和发射光谱。
吸收光谱吸收光谱是研究稀土材料吸收特性的重要手段。
在吸收光谱实验中，通过测量被材料吸收的光线强度的变化，可以得到吸收光谱曲线。
吸收光谱曲线可以告诉我们材料在不同波长下的吸收能力，从而了解其能级结构和吸收机制。
发射光谱发射光谱是研究稀土材料发射特性的主要手段。
在发射光谱实验中，通过激发稀土材料并测量其发射的光线强度，可以得到发射光谱曲线。
发射光谱曲线可以告诉我们材料在不同波长下的发射能力，从而了解其能级结构和发射机制。
稀土元素的特点
稀土元素的特点稀土元素是指周期表中的镧系元素和钇系元素，共计17种元素。
它们被称为稀土元素是因为它们在地壳中的含量非常稀少。
稀土元素具有许多独特的特点，下面将对其进行详细解释。
1. 化学性质多样性：稀土元素具有丰富的化学性质，可以形成多种化合物。
它们的原子结构中的电子分布不同，因此具有不同的价态和电子构型，使得它们在化学反应中表现出多样性。
2. 磁性：稀土元素中的某些元素如钕、铽等具有较强的磁性。
这些磁性稀土元素被广泛应用于制造永磁材料，用于制造电机、发电机、磁记录材料等。
3. 光学性质：稀土元素在可见光和紫外光区域有较强的吸收和发射能力，因此被广泛应用于荧光体、荧光粉、光纤通信等领域。
4. 半导体性质：稀土元素中的一些元素如铈、铽、钕等具有半导体性质。
它们可以用于制造光电器件、太阳能电池等。
5. 化学稳定性：稀土元素具有较好的化学稳定性，能够耐受高温和腐蚀。
因此，它们被广泛应用于高温合金、催化剂、陶瓷材料等领域。
6. 放射性：稀土元素中的一些元素如镧、铀等具有放射性。
这些放射性稀土元素在核能、核医学和射线治疗等领域有重要应用。
7. 稀土磁石效应：稀土元素中的某些元素如镧、铈等具有稀土磁石效应。
这种效应使得稀土磁石具有较高的磁能积和矫顽力，被广泛应用于电机、传感器、磁记录材料等领域。
8. 催化性能：稀土元素具有良好的催化性能，能够在化学反应中起到催化剂的作用。
它们被广泛应用于石油加工、环境保护、化学合成等领域。
9. 生物学功能：稀土元素在生物体内具有重要的生物学功能，如对植物生长的促进作用、对动物体内酶活性的调节作用等。
10. 稀有性：稀土元素在地壳中的含量非常稀少，因此被称为稀土元素。
它们的分布不均匀，主要分布在中国、澳大利亚、美国等地。
总结起来，稀土元素具有多样性的化学性质、磁性、光学性质、半导体性质、化学稳定性、放射性、稀土磁石效应、催化性能、生物学功能等特点。
这些特点使得稀土元素在许多领域具有重要的应用价值，如电子、光电、材料、能源、环境等领域。
稀土离子的发射光谱范围
稀土离子的发射光谱范围
稀土离子的发射光谱范围取决于其电子能级结构和能量级差。
稀土元素有多个价电子能级，每个能级之间的跃迁会产生特定波长的光线。
稀土离子常见的发射光谱范围一般在红外、可见光和紫外光区域。
常见的稀土离子及其发射光谱范围如下：
1. 锗离子（Ge3+）：发射红外光，波长范围约在1.9-
2.3微米。
2. 铥离子（Tm3+）：发射可见光和近红外光，波长范围约在400-3700纳米。
3. 镨离子（Pr3+）：发射可见光，波长范围从近红外到深红，可达到400-700纳米。
4. 铈离子（Ce3+）：发射蓝色光和近紫外光，波长范围约在300-500纳米。
5. 钆离子（Gd3+）：发射可见光和近紫外光，波长范围在
200-900纳米之间。
6. 镝离子（Dy3+）：发射红色和黄色光，波长范围在400-700纳米之间。
需要注意的是，稀土离子的发射光谱范围也受到溶剂、温度和杂质等因素的影响。
此外，稀土离子发射光谱范围的确定也需要通过实验测定和研究来获得。
稀土元素 发光谱
稀土元素发光谱
答：稀土元素具有独特的发光性质，其发光光谱是一个重要的研究领域。
稀土元素在受到特定能量的光照射时，会吸收能量并跃迁到高能级，然后通过辐射跃迁回到低能级，释放出光子。
这个过程就是稀土元素的发光现象。
由于稀土元素具有丰富的能级结构，它们可以产生多种不同波长的光，形成丰富多彩的发光光谱。
通过对稀土元素发光光谱的研究，人们可以了解稀土元素的能级结构、跃迁机制以及与周围环境的相互作用等重要信息。
这些信息对于理解稀土元素的发光性质、开发新的发光材料以及优化现有发光器件的性能都具有重要的意义。
此外，稀土元素发光光谱在生物医学、环境监测、能源科学等领域也有广泛的应用。
例如，利用稀土元素荧光探针可以实现对生物体内特定分子的高灵敏度检测；在能源领域，稀土元素荧光材料可以用于太阳能电池、LED等器件的优化和改进。
总之，稀土元素发光光谱是一个充满挑战和机遇的研究领域，对于推动科学技术的进步和发展具有重要意义。
稀土离子的光谱特性
第二讲稀土离子的光谱特性稀土因其特殊的电子层结构，而具有一般元素所无法比拟的光谱性质，稀土发光几乎覆盖了整个固体发光的范畴，只要谈到发光，几乎离不开稀土。
稀土元素的原子具有未充满的受到外层屏蔽的4f5d电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，构成众多的发光和激光材料。
稀土化合物的发光是基于它们的4f电子在f—f组态之内或f—d组态之间的跃迁。
具有未充满的4f壳层的稀土原子或离子，其光谱大约有30000条可观察到的谱线，它们可发射从紫外光、可见光到红外光区的各种波长的电磁辐射。
稀土离子丰富的能级和4f电子的跃迁特性，使其成为巨大的发光宝库，从中可发掘出更多新型的发光材料。
第一节稀土元素基态原子的电子层构型及光谱项1、稀土元素的电子层构型稀土元素包括17种元素，即属于元素周期表中ⅢB族的15个镧系元素以及同一族的钪和钇。
钪和钇的电子层构型分别为：Sc 1s22s22p63s23p63d14s2Y 1s22s22p63s23p63d104s24p65s2镧系原子的电子层构型为：1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f n5s25p65d n＇6s2，n=0-14, n＇=0或1。
镧系稀土元素电子层结构的特点是电子在外数第三层的4f轨道上填充，4f轨道的角量子数l=3，磁量子数m可取0、±1、±2、±3等7个值，故4f亚层具有7个轨道。
根据Pauli不相容原理，在同一原子中不存在4个量子数完全相同的两个电子，即一个原子轨道上只能容纳自旋相反的两个电子，4f亚层只能容纳14个电子，从La到Lu，4f电子依次从0增加到14。
形成三价稀土离子时首先失去的是6s和5d电子，使三价稀土离子具有顺序增加的4f n 电子结构，n=0，1，…，14，分别对应于La 3+，Ce 3+，…，Lu 3+离子。
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f-f跃迁光谱的特点： a.f-f电偶极跃迁宇称选则规则禁阻。 因此不能观察到气态稀土离子的f-f电
偶极跃迁吸收光谱。 但在液体和固体中由于受配体场的微
扰，可观察到响应的谱带，但强度很弱 （相对于d-d跃迁）
摩尔消光系数 Є＝0.5. (l/molcm)。
元素
吸收范围(nm) 颜色
La3+（4f0) 无
无
Ce3+ （4f1) 210-251 无色
Pr3+ （4f2) 444 -588 绿色
Nd3+ （4f3) 354-868 微红
Pm3+（ 548-735 粉红
黄
Sm3+（4f5) 362-402
黄
Eu3+ （4f6) 375-394 无色
如：Pr3+4f2组态有13个J能级， Nd3+4f3组态有41个J能级 .
在稀土离子可能存在的组态中，4fn是 能量最低的组态，因此在光谱性质的研究 中也是最重要的。
2.能级图
三价稀土离子的4fn组态能级见下图。各能级均
以光谱支项表示。图中数值是从中性原子或离子的发
射光谱中得到的，有些可能不够完全。图中基态能级
c.谱带的范围较广 在近紫外、可见光和近红外都能得到
稀土离子的光谱。
Sc,Y,La,Lu三价离子是封闭壳层，从 基态跃迁至激发态所需能量较高，因而 它们在 200-1000nm范围内无吸收，无 色。
Ce3+ Eu3+Gd3+Tb3+ 虽然在200~1000nm范围内有吸收， 但大部分落在紫外区，所以通常也无色。 Yb3+的吸收落在近红外区所以也无色 Pr3+ Nd3+Pm3+ Sm3+ Dy3+ Ho3+ Er3+ Tm3+ 吸收在可见光区，所以有色。
4I15/2 4F9/2
6F1/2 6F56/H2 6F56/F23/72/2
6H7/2 6H9/2 6H11/2 6H13/2
6H15/2 Dy
§3-2稀土离子的吸收光谱 稀土离子的吸收光谱的产生归因于三种情
况： 来自fn组态内的能级间跃迁即f-f跃迁； 组态间的能级间跃迁即f-d跃迁； 电荷跃迁如配体向金属离子的电荷跃迁。
b. f-f跃迁光谱是类线性的光谱
谱带尖锐的原因是:处于内层的4f电子 受到5s 和5p电子的屏蔽，受环境的影响较 小，所以自由离子的光谱是类原子的线性 光谱。[Kr]4d104fn5S25P65d0-16S2
于d-d跃迁吸收光谱有所区别：
由于d电子是处于外层，易受环境的影 响使谱带变宽。
如稀土离子的f-f 跃迁谱带的分裂为 100cm-1左右，而过渡金属元素的d-d跃迁 谱带的分裂1000~3000cm-1左右。
[Kr]4d104fn5S25P65d0-16S2
§3-1三价稀土离子的能级图 1.三价稀土离子能级的复杂性
稀土离子未充满的4f电子壳层; 自由离子体系的4f电子的不可忽略的自旋轨 道偶合作用; 4f,5d,6s电子具有相近的能量，使它们的能 级关系极其复杂。
较低能量的4fn,4fn-16s1,和4fn-16p1 组 态产生了众多的能级，其中有些离子能级 的数目是相当可观的。
稀土离子（III）的f-f跃迁光谱主要是: 4fn组态:基态→激发态跃迁的造成的.
其中Sm3+ Eu3+除了基态（６H5/2, 7F0)向激 发态跃迁外，还存在着由第一、二激发态 （ Sm3+ ：６H７/2 和Eu3+ ：7F１ 7F２)向更高能态 的跃迁。能级图.ppt
Sm3+ Eu3+的这种有别于其它三价稀土离子 的情况是由于Sm3+ 的６H７/2 和Eu3+ 的7F１ 7F２ 能级与基态能级差太小，常温下部分离子可居于 上述能态的原因。
Tb3+ （4f8) 284-477 无色
Sm2+ （4f6)
红褐色
Yb2+ （4f14)
绿色
从上表可看出： RE3+的颜色，其中4fn ,4f14-n组态的离子有
相近的颜色 。 但是稀土离子的这种颜色的“规律性”并无内
在结构上的联系，因为吸收谱带的位置并不相 同，物质颜色相近是是透过的光波的混合的结 果，或许是某种巧合。
为零，其他J能级的数值相当于J能级和基态能级之间
的能量差，单位为cm-1
如：Ce:
Pr:
E3P2 =23160cm-1,
E2F7/2 =2257cm-1,
E2F5/2为基态
E3H4为基态
X103cm-1
24 22 20 18 16 14 12 10
8 6 4 2
3P2
1G4 33FF34 3F2 3H6 3H5 3H4 Pr
(1).由于5d能级易受周围配体场的影响，谱带相 应于f-f跃迁谱带变宽。 (2).通常比4f0，4f7组态多出１个或２个电子的离 子易出现此类跃迁。
Gd3+ （4f7) 272-275 无色
Eu2+ （4f7) 黄色
元素
吸收范围(nm) 颜色
Lu3+ （4f14)
无
无色
Yb3+ （4f13)
975
无色
Tm3+ （4f12) 360-780 绿色
Er3+ （4f11) 364-652 微红
Ho3+ （4f10) 287-641 粉红
黄
Dy3+ （4f9 ) 350-910 黄
4G7/2 4G5/2
5D3 5D2
5D1 5D0
5D3 5D4
6F11/2 6F9/2 6F7/2 6H15/2 6H13/2 6H11/2 6H9/2 6H7/2 6H5/2
Sm
7F6
7F4 7F2 7F0
7F5 7F3 7F1
Eu
7F0
7F1 77FF34
7F2
7F5
7F6
Tb
三价稀土离子的能级图
第三章：稀土元素的光谱特征及磁性
稀土元素由于具有未充满的4f电子壳层和 4f电子被外层的5s,5p电子屏蔽的特性，使稀 土元素具有极复杂的类线性光谱。吸收光谱使 稀土离子大多有色，发射光谱使许多稀土化合 物产生荧光和激光。荧光光谱将放在后面的章 节，本章主要介绍吸收光谱、激光发射光谱和 磁学性质。
[Xe]4fn5d0-16s2
2.f-d跃迁光谱 稀土离子的f-d跃迁光谱不同于f-f跃迁光
谱。 4f n → 4f n-15d1跃迁是组态间的跃迁。 这种跃迁是宇称选律规则允许的，因此
4fn→4fn-15d1跃迁强度较大。 摩尔消光系数 Є＝50-800 l/molcm。 稀土离子（III）的4fn → 4fn-15d1
跃迁吸收带一般出现在紫外光区。 并具有以下 特点：