南京大学国际地球系统科学研究所 遥感物理讲座-3物质的光谱与结构.pptVIP

《遥感物理》课程讲座-3----物质的光谱与结构 田 庆 久 南京大学国际地球系统科学研究所 2005年3月11日 * * --- 南京大学硕士研究生课程--- 内 容 引 言 原子光谱与原子结构 （氢原子光谱，X射线与γ射线） 分子光谱与分子结构 （分子结构，分子能级与光谱，分子的转动光谱，分子的振动光谱，分子的振动-转动光谱，分子的电子-振动-转动光谱） 固体光谱与固体结构 （固体结构，能带论简介，晶格振动，固体光谱，喇曼光谱，激光光谱，荧光光谱） 物体的光谱，特别是物体的发射和吸收光谱是研究物质结构酌一把钥匙，一条条五彩缤纷的光谱线，揭示了原子、分子这些微观世界的奥秘。现在光谱不仅用于研究微观世界，而且已广泛地应用于工业生产。 原子所发射或吸收的光谱是由一条条分立的谱线组成的，一般称为线状光谱。各种原子都有各自的一组光谱，我们不仅可以从光谱中识别出不同的元素，还可以从中分析各元素的原子结构。 分子所发射或吸收的光谱，是由一组组光谱带组成的，一般称为带状光谱。每种分子也有它所对应的光谱，它的结构比原子的线状光谱复杂得多。通过对分子光谱的研究，人们对分子结构也了解得比较清楚了。 固体的光谱以一般是连续光谱，由于固体结构复杂，固体结构和固体光谱之间的对应关系也就非常复杂，事实上也常常不能找到它们之间细致的对应关系。特别是固体的反射光谱，影响它的因素更多，解释也更为困难。 一、引 言 二、原子结构与原子光谱 1913年，玻尔综合了普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说和卢瑟夫的原子模型，提出了原子结构的新假设，建立了原子光谱项与它的结构之间的基本关系。虽然用量子力学可以系统地完善地解决原子结构问题，但玻尔理论比较直观明了。 玻尔理论的要点如下： （1）电子以圆形轨道围绕原子核(质子)旋转，但只有某些分立的轨道是存在的，在某一条一定轨道上运动电子具有一定的能量，称为在一定的稳定状态，简称定态。原子有许多定态，其中能量最低的态称为基态，其余的态称为激发态。定态原子并不辐射能量。 （2）原了只有从一个En的定态跃迁到另一个能量为Em的定态时，才发射或吸收电磁辐射，其频率ν由下式决定： hν=En-Em。上式称为玻尔频率条件，h为普朗克常数。 （3）为了确定这些分量的电子轨道，玻尔还提出了一个附加的量子条件：电子轨道运动的角动量P必须等于h/2的整数倍。 最简单的光谱是氢原子光谱，因为氢原子的结构最简单，只有一个质子与一个电子。在可见光和近紫外区，氢原子光谱是由一个谱线系组成的，谱线系的间隔与强度朝着短波方向以一种十分规则的方式递减。这个谱线称为巴耳末系。 氢原子光谱 根据玻尔的简单理论，我们对氢原子可作如下解释：氢原子在常温下处于基态，即能量处于最低的状态，电子在n=1的最小轨道上。当原子受到辐照或与其它粒子碰撞。电子就吸收一定的能量就跃迁到某一能量较高的定态(n＞1)，此时原子所处的状态称为激发态。处于激发态的原子是不稳定的，它能自发地跃迁到能量较低定态，直至基态为止，同时发射一个对应的光子，光子的波数可由下式算出： 波数f=(R/n21)-(R/n22) R为氢原子的黎德堡常数=（2π2me4/h3c）=109737厘米-1 氢原子光谱中的每一条谱线，可由T（n）=(R/n2)的两“项”之差来表示，“项”之间的差别决定于n的值。T（n）称为光谱项。因而上式又可表示为： f= T（n1）-T（n2） 氢原子跃迁轨道示意图 从不同的定态跃迁到同一定态所辐射的各谱线属于同一谱线系。如从主量了数n＝2、3、4…定态跃迁n＝1的定所辐射的各谱线系称赖曼系，从主量子数n=3、4、5…定态跃迂到n＝2的定态所辐射的各谱线称巴尔末系。余类推。 某一时刻一个氢原子只辐射一条谱线：许多氢原子多处于不同的激发态，能辐射出不同的谱线，在普通实验中有大量的受激原子，故可以同时观察到它们的全部谱线。 为了简单、确切地表示氢原子的光谱系，常用能级图而不采用圆形图的那种示意图。在氢原子的能级图上，纵坐标表示能量的数值，单位是电子伏特，把氢原子的各定态按能量数值的大小画在一起，每一定态对应一个能级。能级图也可以用波数作纵坐标。 氢原子的能级图 原子的光谱是线状光谱，每条谱线都比较尖锐，谱线宽度较窄。每种元素都有它独特的一套光谱，并可以从中找到亮度较强的特征光谱，如5890?和5896?是Na的特征光谱，而546l?是Hg的特征光谱等。利用元素的特征光谱可以分辨出物体中含有的各种元素，并且，可以根据谱线的强弱来确定元素的含量。 γ射线与x射线 （ 由于原子外层电子跃迁