【原子光谱的谱线是没有宽度的细线吗】原子光谱自然宽度
光谱线增宽
1.极子阻尼振动时释放能量 —— 自发辐射现象
U
t 2
e
U 0e
t 2
cos2v0 t
其阻尼振动形式为
U U 0e
t 2
cos2v0t
(1-60)
其发射的光强 I U
2
, 可表示为 I AU 2 e 0
t
其中:τ——驰豫时间，振子的辐射寿命 当
三种跃迁中单位时间内发生跃迁的粒子数密度
dn2 ( ) sp n2 A21 (v)dv n2 A21 f (v)dv 0 0 dt n2 A21 f (v)dv n2 A21
0
dn2 ( ) st n2W21 (v)dv n2 B21 f (v) v dv 0 0 dt dn2 ( ) st n1W12 (v)dv n1 B12 f (v ) v dv 0 0 dt
CO2
D
Ne
(CO2的多普勒线宽小得多)
其它展宽
（1） 飞行时间展宽
（2） 仪器增宽
1.4.5 均匀增宽和非均匀增宽 一. 均匀增宽 Homogeneous broadening ：
自然增宽、碰撞增宽
共同特点：
• 引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的
• 都是光辐射偏离简谐波引起的谱线加宽 在这类加宽中，每一粒子的发光对谱线内的任一频率都有贡献， 我们不能把某一发光粒子和曲线中某一频率单独联系起来
（1-53）
与
dn2 ( ) st W21n2 dt
对比有
W21 B21 f (v0 )
ρ vv
'
(1-54)
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。
原子吸收光谱带宽
原子吸收光谱带宽
原子吸收光谱带宽是指原子吸收光的波长范围。
原子在特定波长的光照射下会发生吸收现象，这个吸收现象可以通过光谱仪进行测量。
光谱仪可以分析出原子在不同波长下的吸收峰位以及吸收强度。
原子的吸收光谱带宽取决于多个因素，其中包括原子本身的能级结构、原子的外部环境以及入射光的特性。
通常情况下，原子的吸收光谱带宽是一个窄而尖锐的峰，其宽度可以用峰的半高宽来表示。
半高宽是指峰的高度达到峰值一半时的宽度。
原子的吸收光谱带宽与原子的能级结构密切相关。
原子的能级结构决定了原子在何种波长下会发生吸收现象。
对于多能级的原子，其吸收光谱带宽可能会更宽，因为能级之间存在多个跃迁路径。
除了原子本身的能级结构外，原子的外部环境也可能影响其吸收光谱带宽。
例如，原子可能受到周围气体、温度、压力等因素的影响，从而导致吸收光谱带宽发生变化。
入射光的特性也会对原子的吸收光谱带宽产生影响。
入射光的波长范围和光强会影响原子的吸收行为。
如果入射光的波长与原子的共振频率相匹配，并且光强足够强，那么吸收光谱带宽可能变窄并具有更高的吸收强度。
总之，原子吸收光谱带宽是一个复杂的物理现象，受到多个因
素的共同影响。
准确测量原子的吸收光谱带宽有助于研究原子的能级结构和物质的光谱特性。
元素分析知识总结
元素分析知识总结元素分析知识总结第一章．原子吸收光谱1·共振线，第一共振线共振吸收线：原子由基态跃迁到激发态所吸收的谱线。
第一共振线：由基态跃迁到能量最低的激发态所吸收的谱线。
这条谱线强度最大，灵敏度最高。
2·原子吸收谱线的自然宽度、中心频率、半峰宽原子吸收线并非是一条严格的几何线，而是占据着极窄的频率范围，具有一定的自然宽度。
原子吸收光谱的轮廓以原子吸收谱线的中心频率和半宽度来表征。
半宽度(Δv):是指在极大吸收系数一半处，吸收光谱线轮廓上两点之间的频率差。
海森堡测不准原理：当核外电子跃迁到激发态时，激发态的能级和电子在激发态停留的时间是测不准的，具有不确定度。
即：E1 :E1 ±ΔE t1 : t1 ±ΔtΔE·Δt≥h/2π只有当Δt→∞，ΔE→0 ，此时激发态的能量E1 才有定值，但是电子在激发态的时间只有约10-8，所以激发态的能量E1 是测不准的，只能是一个范围。
而电子在基态是稳定的，所以电子在基态停留时间的Δt→∞，所以ΔE→0 ，基态能量E0具有定值。
所以V= (E1 - E0）/h 是测不准的，中心频率具有不确定度，所以原子吸收线具有自然宽度。
自然宽度（ΔυN)一般为10-5nm 数量级。
中心频率半峰宽3·为什么原子吸收线具有自然宽度？根据海森堡测不准原理：ΔE·Δt≥h/2π电子在基态是稳定的，所以电子在基态停留时间的Δt→∞，所以ΔE→0 ，基态能量E0具有定值。
而电子在激发态的时间只有约10-8，所以激发态的能量E1 是测不准的，只能是一个范围。
所以谱线的频率V= (E1 - E0）/h 是测不准的，中心频率具有不确定度，所以原子吸收线具有自然宽度。
自然宽度（ΔυN)一般为10-5nm数量级。
4·多普勒变宽、洛伦兹变宽、霍尔兹马克变宽多普勒变宽：（中心频率不变）一个运动着的原子所发射出的光，若运动方向朝向观察者(检测器)，则观测到光的频率较静止原子所发出光的频率来得高(波长来得短)；反之，若运动方向背向观察者，则观测到光的频率较静止原子所发出光的频率来得低(波长来得长)。
谱线宽度展宽课件
探测器
用于检测原子发射的荧光或其 他信号，记录实验数据。
真空系统
保证实验环境清洁，减少气体 分子对原子运动的干扰。
实验步骤
原子束源调整
调整原子束源的参数，使原子 流稳定、均匀。
数据采集
启动探测器记录实验数据，包 括原子荧光信号和其他相关参 数。
准备实验环境
包括安装和调试实验设备，确 保实验环境清洁、安全。
压强
随着压强的增大，原子或 分子之间的碰撞频率增加 ，导致谱线宽度增大。
介质
不同介质对光谱的吸收和 散射作用不同，也会影响 谱线宽度。
02 谱线宽度展宽的物理机制
自然宽度
自然宽度
谱线在自然状态下受到原子或分子内部能量的无规则涨落 影响，导致谱线宽度发生变化。这种展宽机制不受外部因 素的影响，是谱线固有的特性。
谱线宽度展宽在物理实验中还可以用于测量物质的物理常数 和参数。例如，通过测量谱线宽度，可以精确测定物质的折 射率、吸收系数等参数，为物理研究和应用提供重要的数据 支持。
04 谱线宽度展宽的实验方法
实验设备
01
02
03
04
原子束源
用于产生单原子流，是谱线宽 度展宽实验的基本条件。
磁场装置
用于控制原子磁矩的取向，影 响原子能级分裂。
谱线宽度展宽在化学分析中还可以用于研究化学反应的动力学过程。通过监测反应过程中谱线宽度的 变化，可以推断出反应速率常数、反应机理等信息，有助于深入了解化学反应的本质和机制。
物理实验
谱线宽度展宽在物理实验中可用于研究物质的物理性质和过 程。例如，在研究激光光谱、原子和分子能级结构、量子力 学等现象时，谱线宽度展宽可以提供有关物质内部结构和相 互作用的重要信息。
《光谱线增宽》课件
在高密度或高温环境下，原子与 其他粒子之间的碰撞频繁发生，
导致光谱线发生碰撞增宽。
碰撞增宽机制下的光谱线通常呈 现出比较宽的分布，因为碰撞引 起的能量交换使得原子能级宽度
增加。
共振增宽机制
共振增宽机制是由于原子与光场之间 的共振相互作用引起的光谱线增宽。
共振增宽机制下的光谱线通常呈现出 比较窄的分布，因为共振相互作用对 能级跃迁频率的精度要求比较高。
深入研究增宽机制的物理过程
通过深入研究光谱线增宽的物理过程，我们可以更好地理解 其产生的原因和影响，从而为新机制的探索提供理论支持。
增宽机制的交叉学科研究
跨学科合作研究
光谱线增宽涉及到多个学科领域，如物理学、化学、生物学等，通过跨学科合作 研究，我们可以从不同角度深入了解增宽机制。
促进不同学科领域之间的交流与合作
02
光谱线增宽的物理机制
自然增宽机制
自然增宽机制是由于原子自发 辐射引起的光谱线增宽，与原 子所处的环境无关。
自然增宽机制下的光谱线呈现 出一个自然的、连续的分布， 其宽度与原子能级寿命有关。
自然增宽机制下的光谱线通常 比较窄，因为原子能级寿命相 对较长。
碰撞增宽机制
碰撞增宽机制是由于原子与其他 粒子之间的碰撞引起的光谱线增
影响因素分析
分析不同因素对光谱线增宽的 影响，如温度、气体种类等。
结果对比
将实验结果与理论预测进行对 比，验证理论模型的正确性。
应用前景
探讨光谱线增宽在光学、光谱 学等领域的应用前景。
05
光谱线增宽的未来发展
新的增宽机制的探索
探索新的光谱线增宽机制
随着科学技术的不断进步，我们可能会发现新的增宽机制， 这些机制可能会带来更深入的理解和更广泛的应用。
2.2 谱线的增宽.
2.2谱线的增宽光谱的线型和宽度与光的时间相干性直接相关，对后面要讲的激光的增益、模式、功率等许多激光器的输出特性都有影响，所以光谱线的线型和宽度在激光的实际应用中是很重要的问题。
2.2.1光谱线、线型和光谱线宽度由于原子发光是有限波列的单频光，因而仍然有一定的频率宽度。
实际上使用分辨率很高的摄谱仪来拍摄原子的发光光谱，所得的每一条光谱线正是这样具有有限宽度的。
这意味着原子发射的不是正好为某一频率0ν(满足021h E E ν=-)的光，而是发射频率在0ν附近某个范围内的光。
实验还表明，不仅各条谱线的宽度不相同，就每一条光谱线而言，在有限宽度的频率范围内，光强的相对强度也不一样。
设某一条光谱线的总光强为0I ，测得在频率ν附近单位频率间隔的光强为()I ν，则在频率ν附近，单位频率间隔的相对光强为0()I I ν，用()f ν表示，即0()()I f I νν=(2-8)实验测得，不同频率ν处，()f ν不同，它是频率ν的函数。
如以频率为横坐标、()f ν为纵坐标，画出()f νν-曲线如图2-3(a)所示。
()f ν表示某一谱线在单位频率间隔的相对光强分布，称做光谱线的线型函数，它可由实验测得。
图2-3光谱的线型函数(a)实际线型(b)理想线型为便于比较，图2-3(b)画出了理想情况的单色光的相对光强分布。
对比(a)、(b)两图，明显看出，理想的单色光只有一种频率，且在该频率处的相对光强为1，即光强百分之百集中在此频率。
这种情况实际上是不存在的，实际情况如图2-5(a)，光强分布在一个有限宽度的频率范围内。
相对光强在0ν处最大，两边逐渐减小，0ν是谱线的中心频率。
现在讨论频率为ν到ν+d ν的频率间隔范围内的光强，它应该是在ν附近单位频率间隔内的光强()I ν乘以频率宽度d ν，即为()I d νν，同时，它也应等于光谱线总光强0I 与频率ν附近d ν范围的相对光强()f d νν的乘积。
所以0()()I d I f d νννν=(2-8)图2-5(a)中曲线下阴影面积为0()()I d f d I νννν=，表示频率在ν－ν+d ν范围的光强占总光强的百分比。
原子吸收光谱法
检测显 示系统 原子化系统
19
一．光源： 1．光源应满足的条件： 1）能发射出待测元素的共振线，其半宽度比吸 收线半宽度窄得多； 2）辐射的强度应足够大。 3）辐射光的强度要稳定，且背景小。
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20
2．空心阴极灯：
空心阴极灯是一种气体放电管，其结构 如图：
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半宽度比吸收线的半宽度小得多时，则发射线光源叫做锐线光源。
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发射线
吸收线
K
0
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13
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1、光源的能量能被原子充分吸收，测定的灵敏度较高。 如果用连续光源，则吸收的光的强度只占入射光强度的极小部分 ，使测定的灵敏度极差：如图所示
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2、在锐线光源半宽度范围内，可以认为原子的吸收系数为常数， 并等于中心波长处的吸收系数。
A元素含量测定----- A元素的空心阴极灯发射特征辐射
--------试样在原子化器中变为气态的基态原子-------吸收空 心
阴极灯发射特征辐射---------空心阴极灯发射特征辐射减弱--
---产生吸光度------元素定量分析
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3
AAS特点：
1）灵敏度高：火焰原子法，ppm 级，有时可达 ppb 级；石
10.1基本理论
一、共振线和吸收线
以频率为，强度为 I0 的光通过原子蒸汽，其中一部分光被吸收，
使该入射光的光强降低为 I ：
h
I0
原子蒸汽
I
l
据吸收定律，得
I I0e( kl)
log
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【原子光谱的谱线是没有宽度的细线吗】原子光谱自
然宽度
人教版高中物理选修3-5教材中氢原子光谱一节有这样的描述：“各种原子的发射光谱都是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光。
”如果原子只能发出几种特定频率的光，根据玻尔的能级理论，原子光谱的谱线没有宽度的绝对细线。
事实上，即使最精密的光谱仪，所拍摄的谱线仍有一定宽度，不可能是没有宽度的绝对细线。
这说明原子发出的光的频率不非是几个特定的值，也即光子发出的能量并不是绝对的值，而是在一定范围内。
一、原子光谱谱线的增宽
由于自身的物理性质或受到所处环境物理状态的影响，原子所发射或吸收的光谱线并不是单一频率的谱线。
通常情况下，谱线会发生增宽。
那引起谱线增宽的主要原因是什么呢？
主要原因有两种：①多普勒增宽。
由于发光原子做无规则热运动，运动原子发出的光波产生多普勒频移，频移的大小依赖于原子运动速度沿观测方向的分量，趋近的原子发光频率增大，远离的原子发光频率减小；不同速度分量的原子发光频移大小不同。
叠加的总效果造成谱线的多普勒增宽，其值与绝对温度的平方根成正比。
通常多普勒增宽比自然宽度大2―3个数量级。
②压致增宽。
光源中众多的发光原子之间相互作用，干扰了原子的发光过程，造成谱线的增宽，或者是彼此碰撞阻断原子发光，或者是带电离子的电场对发光原子的斯塔克效应。
增宽与原子的数密度有关，或者说与压强有关，因而称为压致增宽。
谱线增宽掩盖了光谱结构的细节，因而光谱实验研究的一个重要内容是消除谱线的增宽因素。
二、原子光谱谱线的自然宽度
在消除谱线的增宽因素后，谱线的自然宽度是不是就应该没有宽度的绝对细线了呢？
如果原子光谱谱线的自然宽度是绝对的细线，那原子发出的光就是纯粹的单色光，发光光子的能量必须完全确定，其频率、波长也必须完全确定。
这就意味着，该波在空间上、时间上都应该是无限长的波。
但事实上，原子的发光是间歇性的，每次向空间发射一个有限长度的波列或波包。
波的有限长度正是光子在空间位置的不确定量Δx，根据不确定性关系Δx・Δp≥■可知，光子的动量有不确定量Δp。
根据p=■，光子的波长并不唯一确定。
这说明该波是由无数频率不等但相差很小的简谐波叠加而成的。
因此原子发出的光也就不可能是纯粹的单色光，原子光谱的谱线的自然宽度就不可能是绝对细线了。
三、原子能级的不确定性
原子光谱之所以产生，是因为各激发态的原子向较低能级跃迁。
如果原子发光光子的波长不唯一确定，那光子的能量也不唯一确定。
那原子的能级值唯一确定吗？
高中教学中，根据玻尔的能级理论，以氢原子为例，基态氢原子的能量为-13.6eV，激发态氢原子的能量依次为-3.4eV、-1.5eV、-0.85eV……如果氢原子从第二能级跃迁到第一能级，则原子发光能量为ΔE=E■-E■=10.2eV，原子发出的光的能量是唯一确定的值。
需要说明的是，微观客体最重要的特性是波粒二象性。
原子不仅是粒子，而且具有波的性质。
对处于激发态的原子，因其寿命Δt较短，根据不确定性关系ΔE・Δt≥■，激发态的原子能级有不确定量ΔE。
以氢原子第一激发态为例，其能级值并不严格等于-3.4eV，而应该有一定的能级宽度ΔE，即氢原子第一激发态的能级值为-3.4eV±ΔE。
那原子基态能级有没有一定宽度呢？基态原子是非常稳定的，其寿命Δt→∞，由不确定性关系可得ΔE・Δt≥■，其能量的不确定性ΔE→0。
所以我们基本可以认为基态能级宽度为0，其能级值理论上是唯一确定的值。
激发态原子的能级宽度ΔE有多大呢？据可查数据，能级寿命数
量级Δt=10■s，不难求出能级宽度ΔE=10■eV，远远小于原子的能级值。
所以玻尔的能级理论是精确度不太高的情况下的一种理想化理论。
在精确度要求不太高的情况下，我们完全可以应用该理论解决有关问题。