能级寿命与谱线宽度
谱线轮廓和变宽
4、积分吸收和峰值吸收
在原子吸收分析中常将原子蒸气所吸收的全部能量称 为积分吸收。
根据经典色散理论，积分吸收可由下式得出：
Kd＝e2N 0 f / mc
（e为电子电荷，N0为单位体积原子蒸气中吸收辐射的基 态原子数，亦即基态原子密度。 m为电子质量，c为光速， f 为振子强度，代表每个原子中能够吸收或发射特定频率 光的平均电子数，在一定条件下对一定的元素，f 可视为 一定值。）
由于采用半宽度
很小的锐线光源，吸收
就只限在发射宽度范围
内进行.这样在发射宽
度范围内各波长的吸收
系数近似相等(如图).
因此可用峰值吸收系数
K0 代 替 Kυ ， 即 Kυ
=bK0
即有：I＝ebK 01
Id
0
4、积分吸收和峰值吸收（八）
所以有：
Id
I＝lg 0
ebK 01
＝0.4343bK0l
Id
3) 压力变宽
压力变宽又称碰撞变宽。粒子（原子、分子、 电子、离子等）在输送过程中互相发生碰撞，引 起的谱线变宽。这种变宽和气体压力有关，气体 压力升高，粒子相互碰撞机会增多，碰撞变宽就 加大。它分为如下两种类型：
a) 赫鲁兹马克变宽 b) 罗伦茨变宽
3) 压力变宽（二）
a) 赫鲁兹马克变宽 赫鲁兹马克（Holtsmark）变宽又称共振变宽，是由于
同类原子碰撞产生的。只有在被测元素浓度很高或空心阴 极灯的阴极周围富集着原子蒸气下才能出现。通常如果压 力<13.3kPa和原子浓度较低时，赫鲁兹马克变宽可以忽 略不计。但如果样品浓度增大时，这种变宽就加大；结果 导致原子对谱线的吸收下降，破坏了吸光度与浓度间的线 性关系，出现校正曲线向浓度轴弯曲。
引起原子光谱线增宽的原因
引起原子光谱线增宽的原因一、自然宽度1. 原理阐述•原子处于激发态是有一定寿命的，根据海森堡不确定性原理\(\Delta E\Delta t\geqslant\frac{h}{4\pi}\)，其中\(\Delta E\)是能量的不确定度，\(\Delta t\)是时间的不确定度，\(h\)是普朗克常量。
因为原子在激发态有一定的寿命\(\tau\)，\(\Delta t=\tau\)，那么能量就有一定的不确定度\(\Delta E\)。
由于\(E = h\nu\)（\(\nu\)是频率），能量的不确定度会导致光谱线有一定的宽度，这种宽度称为自然宽度。
2. 举例说明•例如氢原子的某一激发态，假设其寿命为\(10^{-8}\)秒，根据上述原理计算出对应的能量不确定度\(\Delta E\)，进而得出频率的不确定度\(\Delta\nu\)，从而得到光谱线的自然宽度。
二、多普勒增宽1. 原理阐述•当原子在空间做无规则热运动时，观测者接收到的原子辐射频率会发生变化，这类似于声学中的多普勒效应。
如果原子向着观测者运动，接收到的频率会升高；如果原子背离观测者运动，接收到的频率会降低。
由于原子热运动速度有一定的分布（遵循麦克斯韦•玻尔兹曼分布），所以会导致光谱线增宽。
2. 举例说明•在气体放电管中，原子处于热运动状态。
假设管内气体温度为\(T\)，根据麦克斯韦•玻尔兹曼分布可以计算出原子的最概然速度\(v_p=\sqrt{\frac{2kT}{m}}\)（其中\(k\)是玻尔兹曼常量，\(m\)是原子质量）。
不同速度的原子产生的多普勒频移不同，从而导致光谱线增宽。
三、压力增宽1. 原理阐述•又称为碰撞增宽。
当原子之间相互碰撞或者原子与其他粒子（如电子、离子等）发生碰撞时，会使原子的能级发生微扰，从而改变原子辐射的频率，导致光谱线增宽。
这种碰撞可以分为两类：一是同类原子之间的碰撞，称为赫尔兹马克增宽；二是原子与外来粒子之间的碰撞，称为洛伦兹增宽。
光谱线展宽的物理机制
光谱线展宽的物理机制 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN光谱线展宽的物理机制摘要本文首先介绍了原子光谱的形成和原子谱线的轮廓，以及用来定量描述谱线轮廓的三个物理量——谱线强度、中心频率和谱线半高宽。
接下来对光谱线展宽的各种物理机制作了定性或定量地分析。
详细地推导了谱线的自然展宽、多普勒展宽（高斯展宽）和洛伦兹展宽的半高宽公式。
并推导出了佛克脱半高宽、多普勒半高宽和洛伦兹半高宽之间的关系式。
给出了赫鲁兹马克展宽（共振展宽）的半高宽公式。
定性地分析了谱线的自吸展宽。
以类氢离子为例说明了同位素效应引起的同位素展宽。
定性地分析了原子的核自旋对谱线宽度的影响。
说明了在有外电场或内部不均匀强电场存在的情况下谱线会产生斯塔克变宽，在有外磁场存在的情况下谱线会产生塞曼变宽。
最后对光谱线展宽的各种物理机制做了一个简单的总结，指出光谱线展宽的实质是光的频率发生了变化，各种新频率光的叠加导致了光谱线的展宽。
并说明了对光谱线展宽的物理机制的研究，在提高光的单色性和物理量测量等方面具有重要的意义。
关键词：谱线展宽；物理机制；谱线轮廓；半高宽THE PHYSICAL MECHANISM OF SPECTRAL LINEBROADENINGABSTRACTFirstly, we introduce the formation of atomic spectrum and the outline of atomic spectral line in this paper, as well as three physical quantities—intensity of spectral line, center frequency and half width of spectral line profile which are used to describe spectral line profile quantitatively.Next we analyze various physical mechanism of spectral line broadening qualitatively or quantitatively. The natural half width of spectral line, half width of Doppler spectral line profil e (Gaussian spectral line profile) and half width of Lorentz spectral line profile are derived detailedly. And the relationship of half width of Voigt spectral line profile, half width of Doppler spectral line profile and half width of Lorentz spectral line profile is also derived detailedly. We introduce Holtsmark broadening (resonance broadening) and give half width of Holtsmark spectral line profile. It is introduced qualitatively how the Self-absorption broadening affects spectral line profile. Taking Hydrogenic ions for an example, we explain isotope broadening caused by Isotope effect. Spectral line broadening caused by nuclear spin is analyzed qualitatively. Stark effect can cause Stark broadening when there is external electric field or internal non-uniform strong electric field, and Zeeman effect can cause Zeeman broadening when there is external magnetic field.Finally, we make a summary on the physilcal mechanism of spectral line broadening, pointing out spectral line broadening is essentially a change in the frequency of spectral lines, and superposition of various spectral lines having a new frequency component leads to spectral linebroadening. The study on the physilcal mechanism of spectral line broadening has very important significance in many aspects, for example, the improving of spectral line's monochromaticity,the measurement of physical quantities and so on.KEY WORDS: spectral line broadening; physical mechanism; spectral Line profile; half width前言 (1)第一章原子谱线的轮廓 (2)§1.1 原子发光机理和光谱线的形成 (2)§1.2 原子谱线的轮廓 (2)第二章光谱线展宽的各种物理机制 (4)§2.1 自然宽度 (4)§2.2 多普勒展宽 (5)§2.3 洛伦兹展宽 (7)§2.4 赫鲁兹马克展宽 (9)§2.5 自吸展宽 (9)§2.6 佛克脱谱线宽度 (10)§2.7 谱线的超精细结构 (12)§2.7.1 同位素效应 (12)§2.7.2 原子的核自旋 (13)§2.8 场致变宽 (14)§2.8.1 斯塔克变宽 (14)§2.8.2 塞曼变宽 (15)总结 (17)参考文献 (18)致谢 (20)无论是原子的发射线轮廓或是吸收线轮廓，都是由各种展宽因素共同作用而成的。
激光的谱线宽度
激光的谱线宽度
激光的谱线宽度是指激光光谱中的频率范围，通常以全宽半最大来表示。
这是通过测量光谱中光强度减半的频率范围来定义的。
激光的谱线宽度取决于多种因素，包括激光器的设计、激发源、放大介质等。
以下是一些影响激光谱线宽度的因素：
激光器类型：不同类型的激光器（例如气体激光器、半导体激光器、固体激光器等）具有不同的谱线宽度特性。
激发源的性质：激发源的特性，如波长、功率和稳定性，会影响激光谱线的宽度。
激光谐振腔：谐振腔的设计和长度也会对谱线宽度产生影响。
激光放大介质：使用的放大介质（例如气体、固体、液体等）的性质会影响激光的谱线宽度。
激光器的工作状态：激光器的工作状态，如温度和压力，也可能对谱线宽度产生影响。
激光器通常被设计为具有较窄的谱线宽度，特别是在科学、医学和通信等领域中需要高分辨率和精确频率的应用。
激光的谱线宽度越窄，其在精密测量和传输信息方面的性能就越好。
原子物理中的氢原子的能级和谱线
原子物理中的氢原子的能级和谱线氢原子是原子物理学中最简单的原子系统之一，它的能级结构和谱线特性是深入研究的重要内容。
在本文中，我们将详细探讨氢原子的能级和谱线。
一、氢原子的能级结构氢原子的能级由其电子围绕原子核运动的方式和距离决定。
根据量子力学理论，氢原子的能级可以用以下公式表示：E_n = - \frac{13.6 \text{eV}}{n^2}其中，E_n表示第n能级的能量，单位为电子伏特（eV），n为主量子数，取正整数值。
从该公式可以看出，氢原子的能级是离散的，且能级间的能量差随着能级增加而缩小。
氢原子的基态对应n=1，其能量为-13.6eV。
当电子从较高能级跃迁到低能级时，会释放出相应的能量，形成谱线。
二、氢原子的谱线特性氢原子的谱线可以通过电子的跃迁产生，主要分为系列谱线和单线系列两类。
其中，系列谱线包括巴尔末系列、帕邢系列、布鲁亚系列等，而单线系列只有一条谱线。
巴尔末系列：当电子从n≥3的能级跃迁到n=2的能级时，会发出可见光的谱线。
巴尔末系列中最长波长的谱线为n=3到n=2的跃迁，对应的波长为656纳米，属于红光谱线。
帕邢系列：当电子从n≥4的能级跃迁到n=3的能级时，会产生可见光的谱线。
帕邢系列中最长波长的谱线为n=4到n=3的跃迁，对应的波长为1875纳米，属于红外线谱线。
布鲁亚系列：当电子从n≥5的能级跃迁到n=4的能级时，会发出可见光的谱线。
布鲁亚系列中最长波长的谱线为n=5到n=4的跃迁，对应的波长为4056纳米，属于红外线谱线。
单线系列：当电子从n≥∞的能级跃迁到n=2的能级时，会产生一条波长为121.6纳米的紫外线谱线，称为Lyman系列谱线。
总结起来，氢原子的能级和谱线特性是由电子的跃迁行为决定的。
通过研究氢原子的能级结构和谱线特性，我们可以深入理解原子物理学的基本原理，并应用于相关领域的研究和实际应用中。
本文对氢原子的能级和谱线做了简要介绍，希望对读者有所帮助。
通过深入学习和研究，我们可以进一步探索氢原子及其他原子系统的能级结构和谱线特性，为科学研究和技术发展做出更大的贡献。
激光原理：3-1谱线加宽与线型函数
3.1谱线加宽与线型函数
二、线型函数
1、定义：
g(ν)
I(ν)
0 I(ν)d ν
第3章 辐射场与物质的相互作用
单位： s
2、性质：
0 g(ν)d ν 1
3、本质：反映发光粒子或光源光谱线形状。
3.1谱线加宽与线型函数
第3章 辐射场与物质的相互作用
三、自然加宽线型函数——洛仑兹型
自然加宽: 发光粒子在自发辐射过程中由于辐射电 磁波不断衰减而导致的谱线加宽。
第3章 辐射场与物质的相互作用
（1）均匀加宽：
每一个发光粒子（原子、离子、分子）发的 光对谱线内的任一频率都有贡献。
自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽
（2）非均匀加宽： 每一个发光粒子所发的光只对谱线内的某些
确定的频率才有贡献。在非均匀加宽中，各种不 同的粒子对不同频率有贡献。
多普勒加宽 (Doppler Broadening)
由原子在激发态的有限寿命引起。
线型函数:
DνN 2
gN (ν)
D νN 2
2
2 (ν ν0 )2
gm
2 gm D νN
D νN
1 2 2
DnN:自然线宽 2:激光上能级寿命
3.1谱线加宽与线型函数
第3章 辐射场与物质的相互作用
复习原子发射电磁波的过程：
研究原子 发射电磁 波时，通 常用谐振 子持续振 动辐射电 磁波这样 的理论模 型。
I0
1
4 2 (ν ν0 )2 I02
gm
42
2 D νN
3.1谱线加宽与线型函数
第3章 辐射场与物质的相互作用
例1：He-Ne激光器和CO2激光器上能级寿命分别为10-8s 和10-4s，求(1)两激光器发光粒子所发光的自然线宽。
仪器分析 第七章 原子吸收光谱法
第七章原子吸收光谱法1.原子吸收光谱的历史2.原子吸收光谱的特点3.原子吸收光谱与紫外可见吸收光谱的区别4.原子吸收光谱分析过程第一节概述1. 原子吸收光谱的历史◆1802年，沃拉斯顿(Wollaston)在研究太阳连续光谱时，首次发现太阳连续光谱中出现暗线。
◆1817年，夫琅和费(Fraunhofer)研究太阳连续光谱时再次发现这些暗线，但无法解释暗线产生的原因。
2/1363/1361825年，法国著名哲学家孔德在哲学讲义中说“恒星的化学组成是人类绝对不能得到的知识”◆1859年，本生、基尔霍夫研究碱金属和碱土金属火焰光谱时，发现钠蒸气发出的光通过温度较低的钠蒸气时，会引起钠光的吸收，并且钠在光谱中位置相同。
发射线与暗线D◆太阳光谱暗线：太阳外围大气圈中钠原子对太阳光谱中钠辐射特征波长光进行吸收的结果。
4/1365/136太阳中含有94种稳定和放射性元素：氢(71％)、氮(27％)、氧、碳、氖、硅、铁等。
◆1955年，澳大利亚物理学家Walsh（沃尔什）发表了著名论文《原子吸收光谱法在分析化学中的应用》，奠定了原子吸收光谱法的基础。
◆1960年以后，原子吸收光谱法得到迅速发展，成为微量、痕量金属元素的可靠分析方法。
6/1362. 原子吸收光谱法的特点✓检出限低：10-10～10-14g。
✓准确度高：1%～5%。
✓选择性好：一般情况下共存元素无干扰。
✓应用范围广：可测定70多种元素。
✗缺点：难熔元素、非金属元素测定困难，不能实现多元素同时分析。
7/1363. 原子吸收与紫外可见吸收的区别✓相同点：利用物质对辐射的吸收进行分析。
✗不同点：◆吸收机理不同：紫外可见为溶液中分子或离子宽带吸收，带宽为几纳米至几十纳米；原子吸收为气态基态原子的窄带吸收，带宽仅为10-3nm。
◆光源不同。
◆试样处理、实验方法及对仪器的要求不同。
8/1364. 原子吸收光谱分析过程◆确定待测元素。
◆选择该元素相应锐线光源，发射出特征谱线。
3.2第三章-2谱线加宽和线型函数
A 2(1)A 2g ~ 1 (,0) A 2(1)d A 2g ~ 1 (,0 )dA 21
A21()表示在总自发跃迁几率A21中，分配在频率处单
E
• 若跃迁上、下能级的寿命分别为2与1，则 原子发光具有频率不确定量或谱线宽度
1 1 21 22
•
当下能级为基态时，1为无穷大，有
1
2
2
3 晶格振动加宽
• 对于固体激光物质，均匀加宽主要是由晶格热振 动引起的，自发辐射和无辐射跃迁造成的谱线加 宽是很小的。
• 固体工作物质中，激活离子镶嵌在晶体中，周围 的晶格场将影响其能级的位置。由于晶格振动使 激活离子处于随时间变化的晶格场中，激活离子 的能级所对应的能量在某一范围内变化，因而引 起谱线加宽。温度越高，振动越剧烈，谱线越宽。 由于晶格振动对于所有激活离子的影响基本相同， 所以这种加宽属于均匀加宽。
• 在气体工作物质中：大量原子（分子）处于 无规则热运动状态，当两个原子相遇而处于 足够接近的位置时（或原子与器壁相碰时）， 原子间的相互作用足以改变原子原来的运动 状态。认为两原子发生了碰撞
• 在晶体中：虽然原子基本是不动的，但每个原子也 受到相邻原子的偶极相互作用，因而一个原子也可 能在无规的时刻由于这种相互作用而改变自己的运 动状态，也称为“碰撞”
x (t)x 0ex p t2)( ex i2p0 t( )
其中，0是原子作无阻尼简谐振动的频率， 即原子发光的中心频率，为阻尼系数。这种 阻尼运动不再是频率为0的单一频率（简谐） 振动，而是包含有许多频率的光波，即谱线 加宽了，此即形成自然加宽的原因。
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能级寿命与谱线宽度
能级寿命与谱线宽度是原子的两个重要的性质，它们在原子物理学和光谱学等研究领域中具有重要的意义。
本文将讨论能级寿命与谱线宽度之间的相关性以及影响这两个性质的一些因素。
能级寿命是指原子或分子从一个能级向另一个能级跃迁所需的时间。
这个跃迁的时间通常以激发态粒子的寿命表示。
能级寿命的主要决定因素是跃迁的概率，即跃迁速率。
跃迁速率取决于激发态的寿命和处于该激发态的粒子数。
通常情况下，能级寿命较短的、较不稳定的激发态相对于寿命较长的、较稳定的激发态更容易进行跃迁。
谱线宽度是指光谱线的宽度，它表示了光波在频率或波数上的分布范围。
谱线宽度主要由两个因素决定，即自然宽度和多普勒宽度。
自然宽度是由不确定性原理引起的，它表示了能级寿命中的能量不确定性。
多普勒宽度是由原子或分子的热速度引起的，在温度非零的条件下，原子或分子在空间上的速度分布会导致频率分布的展宽。
能级寿命和谱线宽度之间存在一定的相关性。
首先，能级寿命越短，谱线宽度越宽。
这是因为能级寿命短意味着高跃迁速率，其跃迁频率分布将更宽。
另外，能级寿命和谱线宽度都受到温度的影响。
在高温下，原子或分子的能级寿命变短，谱线也会更宽。
这与能级寿命和多普勒宽度相关，因为高温会使原子或分子的热运动速度增加，导致多普勒展宽增大。
此外，能级寿命和谱线宽度还受到原子或分子之间的相互作用
影响。
例如，在原子碰撞中，能级寿命会受到能级的共振与碰撞的竞争影响。
这些相互作用可导致能级寿命的减少和谱线宽度的增加。
同时，原子或分子与外部电场的相互作用也可能影响能级寿命和谱线宽度。
外部电场可以通过斯塔克效应引起能级的劈裂和能级寿命的改变，从而导致谱线的分裂和宽度的增加。
综上所述，能级寿命和谱线宽度之间存在一定的相关性。
能级寿命越短，谱线宽度越宽，且它们都受到温度和相互作用的影响。
这些关系对于理解原子与分子的能级结构和光谱行为具有重要意义。