电磁波谱与光辐射
紫外光谱
6 ． 增 色 效 应 （ hyperchromic effect ） 和 减 色 效 应 （hypochromic effect） 增色效应：由于化合物结构改变或其他原因使吸收强 度增强的效应，也称浓色效应。 减色效应：使吸收强度减小的效应，也称淡色效应。
四、吸收带类型和影响因素 （一）吸收带类型
第一章 紫外吸收光谱（UV） Ultraviolet Absorption Spectra
教学要求： 1、掌握紫外吸收光谱的基本原理，电子跃迁类型、 影响位移的因素及有关术语。 2、熟悉吸收光谱与分子结构的关系。 3、了解紫外光谱在有机化合物结构测定中的应用。
第一节 紫外吸收光谱的基础知识
一、紫外-可见吸收光谱的产生
★ 三、含共轭体系的分子
1、 共轭烯类化合物的紫外光谱
一般把共轭体系的π →π *吸收带称为K带。K带 对近紫外吸收是重要的，因其出现在近紫外范围，且 摩尔吸光系数也高一般ε max>10000。 共轭体系越长，其最大吸收越移往长波方向，甚 至到可见光部分。随着吸收移向长波方向，吸收强度 也增大。 π*2 π* π*1 π π2
化合物 H2O CH3OH CH3CL CH3I CH3NH2 max（nm） 167 184 173 258 215 max 1480 150 200 365 600
3. π→ π*跃迁： 不饱和基团（—C＝C—，—C ＝ O ） E较小，λ~ 200nm 体系共轭，E更小，λ更大，强吸收 4. n→ π*跃迁： 含杂原子不饱和基团（—C ≡N ，C＝ O ） E最小，λ 200~400nm（近紫外区）
图示
back
3．生色团（发色团）(chromophore)： 产生紫外或可见吸收的不饱和基团 有机化合物：具有不饱和键和未成对电子的基团 具n 电子和π电子的基团 产生n→ π*跃迁和π→ π*跃迁 跃迁E较低 例： C＝C；C＝O；C＝N；—N＝N— 等 注：当出现几个发色团共轭，则几个发色团所产生的 吸收带将消失，代之出现新的共轭吸收带，其波 长将比单个发色团的吸收波长长，强度也增强
电磁波谱了解不同波长的电磁辐射和应用
电磁波谱了解不同波长的电磁辐射和应用电磁波谱是指由不同波长和频率的电磁辐射构成的连续谱。
从长波到短波，电磁波谱涵盖了一系列波长，包括广播电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。
每个波长的电磁辐射都有其独特的特性和应用。
1. 广播电波广播电波是波长最长的电磁辐射，波长范围为几百米到几十千米。
这种辐射可以传播到很远的地方，并用于无线电和电视广播。
广播电波的具体应用包括 AM（调幅）广播、FM（调频）广播和电视广播。
2. 微波微波是波长较短的电磁辐射，波长范围通常为几米到几毫米。
微波可以穿透大气层，并广泛用于通信、雷达、医学领域和食品加热。
微波炉就是利用微波的特性将食物加热至适宜温度的设备。
3. 红外线红外线的波长范围为几纳米到几百纳米。
红外线不可见，但可以被物体吸收和发射。
红外线的应用领域包括红外线摄像、红外线热成像、红外线通信和遥控等。
4. 可见光可见光是人类眼睛能够感知的电磁辐射范围，波长约为400纳米到700纳米。
可见光的不同波长对应不同颜色，分别为紫色、蓝色、绿色、黄色、橙色和红色。
可见光广泛用于照明、摄影、激光和信息显示等领域。
5. 紫外线紫外线的波长范围为10纳米到400纳米。
紫外线可以杀灭细菌和病毒，因此广泛应用于消毒、紫外线疗法和科学研究。
然而，紫外线对人体的皮肤和眼睛有一定的损害，因此在使用时需要注意保护措施。
6. X射线和γ射线X射线和γ射线具有较高的能量和较短的波长，可以穿透物体并被用于影像学、医学诊断和治疗。
这两种辐射在医疗领域中被广泛应用，例如X射线检查和放射治疗。
总结起来，电磁波谱涵盖了广播电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等不同波长的电磁辐射。
每个波长的电磁辐射都具有独特的特性和广泛的应用。
通过充分了解和利用电磁波谱，我们能够在通信、医疗、科学研究和其他领域中实现更多的创新和发展。
光的辐射和电磁谱的其他区域
通信：通过光导纤维实现高速、 大容量的数据传输和通信
照明：利用光的辐射为人类 提供照明，改善生活品质
医疗：激光在医疗领域的应用， 如激光手术、光子嫩肤等
能源：太阳能电池将光能转化 为电能，为可再生能源的发展
提供支持
电磁谱的其他区域
定义：无线电波是电磁波的一种，指频率在3000GHz以下的电磁波 特性：能够穿透电离层，不易被反射和折射 应用：通信、广播、电视、雷达等领域 与其他电磁波的区别：无线电波的波长较长，频率较低，能量较低
定义：波长介于无线电波和红外线之间的电磁波 应用：微波炉、雷达、通讯等 特性：能够穿透云层、雨水和墙壁等物质 与其他电磁波的区别：微波的频率较低，波长较长
定义：波长在可见光和微波之间的电磁波 特性：能够被物体吸收、反射和折射 应用：红外线加热、红外线探测、红外线成像等 与其他电磁波的区别：波长较长，能量较低
定义：波长在 10纳米至400 纳米之间的电
磁辐射
特性：具有杀 菌、促进维生 素D合成等作
用
来源：主要来 自太阳辐射， 少量来自其他
天体
应用：在医疗、 保健、美容等 领域有广泛应
用
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光在真空中沿直线传播 光在不同介质中传播速度不同 光速是恒定的，约为3x10^8米/秒 光具有波粒二象性
光的波动性：光在空间中传播时表现出波动性质，如干涉、衍射等。
光的粒子性：光是由粒子构成的，具有能量和动量。
光的相干性：相干光是指具有相同频率和相位的光，能够产生干涉现象。
光的偏振性：光在传播过程中，其电场和磁场方向在垂直于传播方向上保持一致，具有偏振 性。
光的辐射和电磁谱的 其他区域
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目录
光辐射
光辐射光辐射光辐射是一个十分广泛和复杂的主题，它与我们日常生活息息相关，也是我们认识世界的重要途径之一。
光辐射是指太阳或其他光源发出的能量在空间中以一种波动的方式传播的现象。
本文将从光的本质、光辐射的特性、光的应用等方面探讨光辐射的相关知识。
首先，我们来了解一下光的本质。
根据物理学理论，光是由电磁波构成的。
电磁波是一种能够传播能量的振动，它包括电场和磁场的振动。
光属于电磁波中的一种，在电磁波谱中处于可见光的范围。
可见光是人眼可见的波长范围，大约在400纳米到700纳米之间。
光辐射具有诸多特性，其中最显著的特性是光的速度和传播方式。
根据爱因斯坦的相对论理论，光在真空中传播的速度是不变的，约为每秒299,792,458米。
这一速度被称为光速，是宇宙中最快的速度。
光的传播方式是波动传播，光波具有振幅、频率和波长等特征。
振幅决定了光的强弱，频率决定了光的颜色，而波长则是光的大小。
了解光的本质和特性后，我们可以看到光辐射在许多领域都有着广泛的应用。
首先是照明领域，人们通过利用光源发出的光辐射来达到照明的目的。
人们使用各种各样的灯泡和灯具来产生光辐射，使得室内和室外环境变得明亮。
其次是通信领域，光辐射在光纤通信中起着至关重要的作用。
光纤通信是一种高速、大容量、远距离传输信息的技术，它将信息通过光辐射在光纤中传播，从而实现了快速可靠的通信。
此外，在医学领域，激光是一种利用光辐射进行治疗和手术的重要工具。
激光切割、激光照射和激光治疗等技术已经广泛应用于眼科、皮肤科和牙科等领域，为患者提供了更好的治疗效果。
光辐射也对生物学和环境产生了重要影响。
太阳光是地球上的主要能量来源，它提供了植物光合作用所需的能量，维持了地球生态系统的平衡。
然而，过量的紫外线辐射对人类和其他生物的健康是有害的，它会引发皮肤癌和眼疾等疾病。
因此，正确地利用和保护光辐射对于维护健康和环境的重要性不言而喻。
总结起来，光辐射作为一种广泛存在于我们生活中的现象，具有丰富的知识和广泛的应用。
第一章光分析导论
第一章 光分析导论1.1 电磁辐射和电磁波谱 1.1.1. 电磁辐射：一种高速度通过空间传播的光量子流,它具有波粒二 象性。
EL = h ν = h c / λ = h c σEL为能量，单位为J或ev，1ev = 1.602 × 10-19 J h为普朗克常数6.626 × 10-34J.s； ν为频率，单位为Hz,即s-1；c为光速3 × 1010 cm.s-1 ; λ为波长，单位nm或Å(10-10 m); σ为波数，单位cm-1。
[例] 某电子在两能级间跃迁的能量差为4.969 × 10-19 J，求其波长为多少纳米？其波数为多少？[解] 由 ΔE = h ν = h c / λ 得λ = h c / ΔE10-19= 6.626 × 10-34× 3 × 1010 / 4.969 ×= 4 × 10-5 cm= 400 nmσ = 1 / λ = 1 / 4 × 10-5 cm = 25000 cm-11.1.2. 电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列称为电磁波谱。
它反映了物质内能量的变化，任一波长光子的 能量与物质内的原子或分子的能级变化（ΔE） 相对应，它们之间的关系为：ΔE = E1-E2 = EL = h ν = h c / λ表1-1 电磁波谱能量高低 高能辐射 中间部分长波部分典型的光谱学 γ射线 X射线 真空紫外 紫外可见 红外 微波电子自旋共振 核磁共振波长范围 0.005-1.4 Å 0.1-100 Å 10-180 nm 180-780 nm 0.78-300 um 0.75-3.75 mm3 cm 0.6-10 m跃迁类型 核能级 内层电子 价电子 价电子 分子的转动和振动 分子的转动 磁场中电子的自旋 磁场中核的自旋1.2 原子光谱和分子光谱1.2.1 原子光谱：原子核外电子在不同能级间跃迁而产生的 光谱，它包括原子发射、原子吸收和原子荧光 光谱等等。
第七章 原子发射光谱分析 (Atomic Emission Spectrometry知识分享
Ei—激发电位（J或eV)。
Iij
gi g0
AijhijN0ekEiT
原子发射光谱 法定量的依据
基态原子密度（N0）：Iij正比于N0，N0正比于浓度。
激发电位(Excitation potential)
谱线强度与激发电位成负指数关系。在温度一定时，激发 电位越高，处于该能量状态的原子数越少，谱线强度越小。 激发电位最低的共振线通常是强度最大的线。
目前常用的光源有直流电弧(DC arc)、交流电 弧(AC arc)、高压火花(electric spark)及电感耦合等离 子体（ICP）。
1. 直流电弧
优点：电极头温度相对比较高（4000至7000K，与 其它光源比），蒸发能力强、绝对灵敏度高、背景小；
缺点：放电不稳定，且弧较厚，自吸现象严重，故 不适宜用于高含量定量分析，但可很好地应用于矿石 等的定性、半定量及痕量元素的定量分析。
微波光谱法
4×10-7~4×10-10 核磁共振波谱法
高能辐射区
γ射线 能量最高，核能级跃迁 X射线 内层电子能级的跃迁
光学光谱区
(10nm-1000 μm)
紫外光 可见光
原子和分子外层电子能级的跃迁
红外光 分子振动能级和转动能级的跃迁
波谱区
微波 分子转动能级及电子自旋能级跃迁 无线电波 原子核自旋能级的跃迁
2．电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列就称光谱。
光谱区域 γ射线 X射线 远紫外光 近紫外光
光 可见光 学 近红外光 区 中红外光
远红外光
微波
无线电波
波长 5～140pm 10-3～10nm 10～200nm 200～380nm 380～780nm 0.78～2.5μm 2.5～50μm
第10章 吸光光度法
当：c的单位用mol·L-1表示时，用ε表示. ε－摩尔吸光系数 (Molar Absorptivity)
A＝εbc ＝ 的单位: ε的单位 L·mol-1·cm-1
吸光度与光程的关系 A = εbc
吸光度
光源
0.00
检测器
吸光度
光源
0.22
b 样品 b 样品 b 样品 光源
检测器
吸光度
0.44
检测器
（一）光学因素 （二）化学因素
（一）光学因素
1．非单色光的影响： 非单色光的影响： Beer定律应用的重要前提 Beer定律应用的重要前提——入射光为单色光 定律应用的重要前提——入射光为单色光 照射物质的光经单色器分光后 并非真正单色光 其波长宽度由入射狭缝的宽度 和棱镜或光栅的分辨率决定 为了保证透过光对检测器的响 应，必须保证一定的狭缝宽度 这就使分离出来的光具一定的 谱带宽度
k1 = k2 ⇒ A = k1c ⋅ b 成 性 系 线 关 k1 ≠ k2 ⇒ A与 不 线 关 ， 离 eer定 c 成 性 系 偏 B 律 （ 2 − k1） A与 偏 线 关 越 重 k ↑⇒ c 离 性 系 严
结论： 结论： • 选择较纯单色光（Δλ↓，单色性↑） 选择较纯单色光（Δλ↓，单色性↑ • 选λmax作为测定波长
长
波谱区
微波 无线电波
来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁 来自原子核自旋能级的跃迁
二、光学分析法及其分类
（一）光学分析法 依据物质发射的电磁辐射或物质与电磁辐射相 互作用而建立起来的各种分析法的统称~ 互作用而建立起来的各种分析法的统称~。 （二）分类： 分类： 1．光谱法：利用物质与电磁辐射作用时，物质内部 光谱法：利用物质与电磁辐射作用时， 发生量子化能级跃迁而产生的吸收、 发生量子化能级跃迁而产生的吸收、发射或散射 辐射等电磁辐射的强度随波长变化的定性、 辐射等电磁辐射的强度随波长变化的定性、定量 分析方法 按能量交换方向分 吸收光谱法 发射光谱法 按作用结果不同分 原子光谱→线状光谱 原子光谱→ 分子光谱→ 分子光谱→带状光谱
电磁波谱和光的波粒二象性
电磁波谱和光的波粒二象性电磁波谱（Electromagnetic Spectrum）是指电磁辐射按照频率和波长的范围进行分类的概念。
在这个谱中，包括了广泛的波长范围，从长波长的无线电波到短波长的伽玛射线。
与电磁波谱相关的一个重要现象是光的波粒二象性。
光的波粒二象性是指光既可以作为一种波动现象解释，也可以作为一种粒子现象解释。
这个概念最早由物理学家爱因斯坦提出，并在他的光电效应理论中得到了证实。
根据光的波动理论，光是一种电磁波，具有波长和频率。
而根据光的粒子理论，光以光子的形式传播，每个光子具有一定量的能量。
光的波动性可以通过干涉和衍射等现象进行解释。
干涉是指两个或多个波同时作用于同一区域时所产生的叠加效应。
衍射是指当光通过一个小孔或物体边缘时，会发生偏离传播的现象。
这些现象说明光具有波动性，能够以波的形式扩散和干涉。
光的粒子性可以通过光电效应进行解释。
光电效应是指当光照射到金属表面时，金属会释放出电子。
根据爱因斯坦的理论，光的能量被离子化的原子或分子吸收后，会导致电子从金属中被解离出来。
这些释放的电子是以光子的形式传播的，每个光子的能量与波长成反比。
在实验中，研究者们通过实验观察到了光的波动性和粒子性的证据。
例如，双缝干涉实验可以展示光的波动性，而康普顿散射实验可以展示光的粒子性。
光的波粒二象性的发现对于物理学的发展产生了重要影响。
它推动了量子力学的发展，揭示了微观粒子的本质，并为现代技术的发展提供了理论基础。
例如，在光通信技术中，我们利用光的波动性传输信息；而在光学成像中，我们利用光的粒子性进行精确的成像。
总结起来，电磁波谱和光的波粒二象性是物理学中一对重要的概念。
电磁波谱将电磁辐射按照频率和波长进行分类，而光的波粒二象性则揭示了光既可以以波动的形式传播，也可以以粒子的形式传播。
这些概念的理解对于我们深入探究光的本质以及应用于现代科技都具有重要意义。
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光是电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间 某区域有变化电场（或变化磁场），在邻近区域将产 生变化的磁场（或变化电场），这种变化的电场和变 化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在 空间传播，形成电磁波。
3
电磁波具有以下性质：
三者相互垂直，所以电磁波是横波。和传播方向构成 右手螺旋系。
dI e 0 Le Le 0 dS
(1.2-7)
可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无 关。余弦辐射体的辐射出射度为
d e Me Le 0 dS
(1.2-8)
13
⑹辐射照度：在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面 元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。即
Ee d e dA
9
以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同 的，但所用的物理符号一一对应的。为了区别起见，在 对应的物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量，角标 “v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系中 的物理量。光度单位体系中的物理量可对比理解。
1. 辐射量
⑴ 辐射能：辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要 指紫外、可见光和红外辐射）能量。辐射能一般用符号Qe表示， 其单位是焦耳（J）。 ⑵ 辐射通量：辐射通量e又称为辐射功率，定义为单位时间 dQe 内流过的辐射能量，即
可 见 光
102
1 10-2
10-4
10-6 10-8
200 极远
10 图1 电磁辐射波谱
10-10
6
2. 光辐射
以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它 们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传 播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm ~ 1mm， 或频率在31016Hz~31011Hz范围内。一般按辐射波长 及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、 可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm、 在红外波段波长用m表示。波数的单位习惯用cm-1。
Ie d
(1.2-3)
11
单位：瓦特球面度-1（Wsr-1）。
⑸ 辐射亮度：辐射亮度定义为面辐射源在某一 给定方向上的辐射通量。如图2所示。
dIe d 2 e Le dS cos ddS cos
(1.2-5)
式中是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。
单位：瓦特/球面度米2（W/srm2）。
系为 E H 。 ⑸ 中的传播速度为 电磁波在真空中传播的速度为c
v 1
1
0 0
，介质
4
。
电磁波包括的范围很广，从无线电波到光 波，从X射线到 射线，都属于电磁波的范畴， 只是波长不同而已。目前已经发现并得到广泛 利用的电磁波有波长达104m以上的，也有波长 短到10-5nm以下的。可以按照频率或波长的顺 序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱， 如图1所示，光辐射仅占电波谱的一极小波段。
d
dS
S 图2 辐射亮度示意图
d
12
一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有 些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足
dIe dIe0 cos
(1.2-6)
式中 Ie0是面元 dS 沿其法线方向的辐射强度。符合上 式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。 (1.2-6) 式代入(1.2-5)式得到余弦辐射体的辐射亮度为
可见光：通常人们提到的“光”指的是可见光。可见
光是波长在390~770nm范围的光辐射，也是人视觉能感 受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的 主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿 色、青色、蓝色和紫色。 7
紫外辐射：紫外辐射比紫光的波长更短， 人眼看不见，波长范围是 1~390nm 。细分 为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远 紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在 真空中传播，所以又称为真空紫外辐射。 在进行太阳紫外辐射的研究中，常将紫外 辐射分为A波段、B波段和C波段。 红外辐射：波长在 0.77~1000m 的是红外 辐射。通常分为近红外、中红外和远红外 三部分。
5
/nm 1106 4104 6103 1.5106 770 622 597 577 492 455 390 300 远 极远 声频电磁振荡
/m 1014 1012 1010 无线电波
远
中 近 红 橙 毫米波 红外光 紫外光 X射线 射Байду номын сангаас 宇宙射线
108
106 104
黄
绿 蓝 紫 近
e
dt
(1.2-1)
10
单位：瓦特（W）或焦耳秒（Js）。
⑶ 辐射出射度：辐射出射度 Me 是用来反映物 体辐射能力的物理量。定义为辐射体单位面积 向半空间发射的辐射通量，即 d e (1.2-2) Me dS 2 单位：W/m 。
⑷辐射强度。辐射强度定义为：点辐射源在给定 方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用Ie 表示，即 d e
光电子技术学课件之一：
——电磁波谱与光辐射
制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华
1
电磁波谱与光辐射
教学目的：掌握电磁波的特性和辐射度学基本物 理量的意义和单位，了解光度学基
本知识和热辐射基本 规律。
重点：电磁波的特性和辐射强度的意义。
难点：光度学基本知识。
学时：3学时
2
一、电磁波谱与光辐射
⑵ 沿给定方向传播的电磁波，E 和 H 分别在各自平
⑴ 电磁波的电场 E 和磁场 H 都垂直于波的传播方向，
面内振动，这种特性称为偏振。
⑶ 空间各点 E 和 H 都作周期性变化，而且相位相
同，即同时达到最大，同时减到最小。
⑷ 任一时刻，在空间任一点， E 和 H 在量值上的关
8
二、辐射度学与光度学基本知识
为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的 物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度 单位和光度单位两套不同的体系。 在辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或 者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基 本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于 整个电磁波段。 光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计 量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度， 其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。