第六章无多普勒展宽光谱技术

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纳米科学与技术第六章b-1

• 许多纳米微粒，例如，ZnO，Fe2O3和TiO2等，对紫外光紫外光有强吸收作用，紫外光 • 而微米级的TiO2对紫外光紫外光几乎不吸收。紫外光 • 这些纳米氧化物对紫外光的吸收主要来源于它纳米氧化物对紫外光的吸收主要来源于它们的半导体性质，们的半导体性质 • 即在紫外光照射下，电子被激发，由价带向导价带向导带跃迁引起的紫外光吸收。带跃迁
• Polyhedral Silver Nanocrystals with Distinct Scattering Signatures Peidong Yang
•银多面体纳米晶由于等离子体共振吸收峰变化导致散射的颜色发生变化.
立方
截角立方八面体
截角八面体立方八面体
UV/Vis spectra of colloidal dispersions.
• 二、表面效应 • 由于纳米微粒颗粒小，大的表面张力使晶格畸大的表面张力使晶格畸晶格常数变小。变，晶格常数变小
• 已经证明：5nm Ni点阵参数比常规块体收缩2.4%。
• 对纳米氧化物和氮化物微粒研究表明： • 表面层第一近邻和第二近邻的距离变短。 • 键长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频率增键长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频率导致纳米微粒的键本征振动频率增大，结果使红外光吸收带移向了高波数高波数。蓝移高波数
• 纳米微粒的光学特性主要表现为如下几方面： • (1)宽频带强吸收 • 大块金属具有不同颜色的光泽。表明对可见光 (各种颜色或波长)的反射和吸收能力不同。 • 而当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒当尺寸减小到纳米级时，当尺寸减小到纳米级时几乎都呈黑色。它们对可见光的反射率反射率极低。几乎都呈黑色反射率 • 例如：铂金铂金纳米粒子的反射率为1％，金纳米铂金金粒子的反射率小于10％。 • 这种对可见光低反射率、强吸收率可见光低反射率、可见光低反射率强吸收率导致粒子变变黑。

谱线宽度、展宽

1
2012-1-21 9
自然加宽的线型函数为：
γ 1 g (ν ) = 2 2 4π γ 2 + (ν −ν 0 ) 4π
这种函数称为洛仑兹函数当ν = ν 0时，g (ν )取最大值 g max = 4
γ
10
2012-1-21
1 谱线宽度：峰值降到大小处所对应的波长范围。 2 自然加宽谱线宽度＝右侧半峰值波长－左侧半峰值波长 1 1 2 γ ′) = 2 g (ν = g max = 2 γ 4π γ 2 2 + (ν ′ −ν 0 ) 4π ⇒ ⇒ ⇒
−∞ +∞ +∞
= n2 A21 结论：谱线加宽对自发辐射没有影响
2012-1-21 12
（2）受激辐射情况爱因斯坦受激辐射系数： c3 c3 A21 (ν ) B21 = A21 = 3 8π hν 8π hν 3 g (ν ) ∴ B21 (ν ) = B21 g (ν ) 将受激辐射系数看成频率ν 的函数受激辐射跃迁几率： W21 (ν ) = B21 g (ν )ω (ν )
2012-1-21
2
（2）线型函数g(ν ) 以光强的相对值为纵坐标，以频率为横坐标，所得光强分布曲线——线型函数g(ν ) 定义：总辐射功率为I0的光谱中，落在频率ν ～ν + dν 范围内的辐射功率与总功率之比值随频率的分布情况。 g (ν ) = I (ν ) I0
+∞
归一化条件：
+∞
∴ 简并度 = 2S + 1 = 1 ∴ J = L+S = 2 ∴ 原子的状态符号为： 1s3d D2
1
2012-1-21 23
（2）两电子自旋方向相同 1 1 S = s1 + s2 = + = 1 2 2 L = l1 + l2 = 0 + 2 = 2 ∴ 简并度 = 2S + 1 = 3 ∴ J = L + S、L + S − 1、.... L − S = 3、、 21 ∴ 原子的状态符号为： 1s3d 3 D3 、 3d 3 D2、 3d 3 D1 1s 1s

光谱线及谱线展宽分析课件

生物成像技术
在荧光光谱、拉曼光谱等生物成像技术中，谱线展宽是影响成像质量和分辨率的重要因素。
3
生物代谢过程研究
利用谱线展宽可以研究生物体内代谢产物的变化，有助于深入了解生物代谢过程和生理机制。
04
谱线展宽的未来发展
谱线展宽研究的新方法
01
谱线展宽的量子力学方法
利用量子力学原理，模拟和预测谱线展宽的机制和规律，提高预测精度
光谱线及谱线展宽分析课件
目录 CONTENTS
• 光谱线基础 • 谱线展宽分析 • 谱线展宽的应用 • 谱线展宽的未来发展 • 谱线展宽的实际案例
01
光谱线基础
光谱线的定义
总结词
光谱线是指光谱中特定波长的光束，是原子或分子能级跃迁时释放的能量。
详细描述
光谱线是光谱分析中的基本单位，表示原子或分子在特定波长范围内的能量辐射。这些线状的辐射特征与原子或分子的能级结构密切相关，是研究物质性质的重要手段。
05
谱线展宽的实际案例
太阳光谱线的分析
太阳光谱线是太阳光经过大气层时产生的吸收线，通过对这些谱线的分析，可以了解太阳大气中的元素组成和温度分布。
通过对太阳光谱线的测量和分析，科学家们发现太阳大气中存在许多元素，如氢、氦、钙、铁等，这些元素的存在和分布对太阳的物理性质和演化过程有重要影响。
光谱线的形成
总结词
光谱线的形成是由于原子或分子的能级跃迁，当原子或分子吸收或释放能量时，会产生光谱线的辐射或吸收。
详细描述
原子或分子在吸收或释放能量时，其内部的电子能级会发生跃迁。这种跃迁过程会伴随着光子的发射或吸收，形成特定波长的光谱线。根据跃迁的性质和能量差值，可以确定光谱线的位置和强度。

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。

多普勒谱线展宽

2. 多普勒谱线展宽谱线展宽主要有自然展宽、碰撞展宽和多普勒展宽;多普勒展宽直接于气体分子速度分布律有关,这一效应首先被里普奇Lippich 在1870年提出,瑞利经过多年研究得到定量公式;下面就导出多普勒谱线型函数;假设发出激光的原子静止时其发光频率为0υ,当原子以x v 的速度沿x 轴向“接受器”运动时,由于多普勒效应使得“接受器”收到的频率为：⎪⎭⎫ ⎝⎛+≈-=c cx x υυυυυ1100 14 由于不同原子的x v 不同,所以“接受器”收到的是不同频率的光,使得激光谱线以0υ为中心被展宽;由麦克斯韦速度分量分布律可以得到,速度x 分量在x v —x x dv v +的分子数比率为：()x kT mv x x M dv e kT m dv v f x 22122-⎪⎭⎫ ⎝⎛=π 15 令()υg 代表其辐射频率落在υ附近单位频率间隔内的发光原子数比率,则有()()x x M dv v f d g =υυ()υg 与辐射强度()υI 成正比;将c v x 00υυυ-=和υυd c dv x 0=代入15式,可得 ()()()υπυυυυυυd e kT m cd g kT mc 2020222--= 式中()υg 就是多普勒展宽的线型函数;下面看一个例子;例1：试由来自星体的光谱线或多普勒宽度确定星体的温度;解：静止原子由激发态回到基态发出的光波的频率0ν决定于两个态的能级差：E h ∆=0ν,h 为普朗克常数;由于原子在运动,因而发射出来的光的频率不再是0ν而是一个分布,也就是谱线增宽了;一个以速度v 运动的原子,沿x 轴发射的光的频率ν与0ν及x v 的关系为)1(0cv x -=νν, x v c =-)(00ννν 式中c 为光速;横向产生的多普勒效应比纵向小得多而可以忽略;由于在νννd +→之间的光强ννd I 与速度分量在x x x dv v v +→之间的原子数目X dN 成正比,即x v CdN dv I =由麦氏分布律x kT mv dv e kT m d x 2/2/12)2(-⋅=πN N 因而dv e I dv I kT mc v 2002)(20ννν--=上式表示原子发光的强度,由于多普勒效应引起的谱线强度按频率的分布,分布函数随频率变化的曲线如图1所示,图1 原子光谱中0υ谱线的多普勒加宽它是对0v 的一个对称分布曲线;物理上定义与谱线极大值I 0的一半相对应的两个频率2v 与1v 之差v ∆称为谱线的宽度这里也称为多普勒线宽;由21)(20002==--νννkT mc v e I I 解得 2/1202ln 21⎥⎦⎤⎢⎣⎡±=mc kT νν 所以2/12012)2ln 2(2kT mcνννν=-=∆ 由上式可知,多普勒宽度ν∆与原子的质量m 及原子所处系统的温度T 有关;若由实验测得了来自星体原子光谱的多普勒宽度ν∆及原子的质量m 就可知道星体的温度T ：k n mc 2022281)(νν⋅∆=T。

新激光第六章激光器模式选择技术PPT课件

模式匹配实现
实现模式匹配需要对激光器的结构参数进行调整，如改变反射镜的曲率半径、调整激光介质的折射率分布等。同时，还需要对激光器的工作条件进行优化，如控制泵浦源的功率、调整冷却水的温度等。
模式稳定性分析
01
模式稳定性定义
模式稳定性是指激光器在长时间运行过程中，输出光束模式的稳定性和
一致性。
02 03
80%
法布里-珀罗标准具
一种具有极高光谱分辨率的光学滤波器，可用于精确选择特定波长的纵模。
100%
光纤光栅
利用光纤光栅的波长选择性反射特性，实现特定波长的纵模选择。
80%
声光调制器
通过声光效应改变谐振腔内光场的分布，从而控制特定纵模的增益或损耗。
03
激光器横模选择技术
横模产生原因及影响
采取隔离措施，如使用隔震平台、减少外部振动对激光器的影响，以及降低环境温度波动等，可以提高激光器的模式稳定性。
采用自适应控制技术
通过自适应控制技术，如自适应光学系统或电子控制系统，可以实时监测并调整激光器的输出光束模式，以保持其稳定性和一致性。
05
新型激光器模式选择技术探讨
微纳激光器模式选择技术
纵模影响
多个纵模同时存在会导致激光输出光谱展宽、功率不稳定、光束质量下降等问题。
纵模选择方法
被动选择法
利用谐振腔的自然选模特性，通过调整腔长、反射镜反射率等参数实现纵模选择。
主动选择法
在谐振腔内引入额外的光学元件或非线性效应，主动控制特定纵模的增益或损耗，实现纵模选择。
典型纵模选择器件
量子点模式选择
01
通过控制量子点的尺寸、形状和组成，实现量子点激光器的模

多普根展和多普勒频移在光谱分析中的应用

布，速对分布函数的影响是引起漂移流
或表示成波长形式
≈ 。一ｏ）１ｓｃ日
布，度在到＋ｄ之间的粒子数为速
＝
式中：０为辐射粒子运动方向和观察方向的夹角。ｃＵ和是
未漂移的频率和波长。如果辐射粒子速度满足Ｍａｗｅ分ｘｌ１
唧
由此得谱线的半高全宽为
（＋ｏ）１ｃ０ｓ
△一＝（）Ａ＝（ｌ）２２２ｎ１。ｎ２（２） △ ＝（）Ａ＝（ｌ）一２２２２ｎ１。ｎ２
因此，只要得出谱线的半高全宽就可以得出辐射粒子的温度。１２多普勒频移．多普勒频移归因于辐射粒子具有一个整体非随机的流速，其在某一特定的方向。假定粒子速度满足Ｍａｗｅ分尤ｘｌ１
６８６
光谱学与光谱分析
第２２卷
＝
ｆ
唧卜Ｊ一ｃＪｐｌ ¨ ｏｌ一ｓ
（２１）
假定在我们的观测方向，定时间内，一反射回等离子体中性粒子速度分布近似满足麦克斯韦分布，根据上面的分析，这部分中性氢原子辐射线形为高斯型线形分布，由多普勒展宽 △ 。可求得丁，Ａ由多普勒频移Ａ— Ａ得到辐射粒子定向流
析仪（０，）量ＨＴ一Ｍ托卡马克限制器前Ｈ口线形分布，Ｉ测Ａ６通过高斯拟合由多普勒展宽和多普勒频移分别得出等离子体离子温度和粒子入射速度。主题词多普勒展宽；多普勒频移；高斯拟合

多普勒谱线展宽

2. 多普勒谱线展宽谱线展宽主要有自然展宽、碰撞展宽和多普勒展宽。

多普勒展宽直接于气体分子速度分布律有关，这一效应首先被里普奇（Lippich ）在1870年提出，瑞利经过多年研究得到定量公式。

下面就导出多普勒谱线型函数。

假设发出激光的原子静止时其发光频率为0υ，当原子以x v 的速度沿x 轴向“接受器”运动时，由于多普勒效应使得“接受器”收到的频率为：⎪⎭⎫ ⎝⎛+≈-=c cx x υυυυυ1100 （14）由于不同原子的x v 不同，所以“接受器”收到的是不同频率的光，使得激光谱线以0υ为中心被展宽。

由麦克斯韦速度分量分布律可以得到，速度x 分量在x v —x x dv v +的分子数比率为：()x kT mv x x M dv e kT m dv v f x 22122-⎪⎭⎫ ⎝⎛=π （15）令()υg 代表其辐射频率落在υ附近单位频率间隔内的发光原子数比率，则有()()x x M dv v f d g =υυ()υg 与辐射强度()υI 成正比。

将c v x 00υυυ-=和υυd c dv x 0=代入（15）式，可得 ()()()υπυυυυυυd e kT m cd g kT mc 2020222--= 式中()υg 就是多普勒展宽的线型函数。

下面看一个例子。

例1：试由来自星体的光谱线或多普勒宽度确定星体的温度。

解：静止原子由激发态回到基态发出的光波的频率0ν决定于两个态的能级差：E h ∆=0ν,h 为普朗克常数。

由于原子在运动，因而发射出来的光的频率不再是0ν而是一个分布，也就是谱线增宽了。

一个以速度v 运动的原子，沿x 轴发射的光的频率ν与0ν及x v 的关系为)1(0cv x -=νν， x v c =-)(00ννν 式中c 为光速。

横向产生的多普勒效应比纵向小得多而可以忽略。

由于在νννd +→之间的光强ννd I 与速度分量在x x x dv v v +→之间的原子数目X dN 成正比，即x v CdN dv I =由麦氏分布律x kT mv dv e kT m d x 2/2/12)2(-⋅=πN N 因而dv e I dv I kT mc v 2002)(20ννν--=上式表示原子发光的强度，由于多普勒效应引起的谱线强度按频率的分布，分布函数随频率变化的曲线如图1所示，图1 原子光谱中0υ谱线的多普勒加宽它是对0v 的一个对称分布曲线。

单通道符合正电子湮没多普勒展宽实验技术

１０７倍，缺点是分辨率较差，有时能差１００倍。但近年来实验设备及技术的发展也使它计数率、分辨率有正电子一电子湮没对动能一般为几个ｅＶ，在质心坐标系中，光子能量为５１１ＫｅＶ，两个光子严格朝了进一步改善。相反方向运动，而实验过程中实际情况由于湮没对
技术对信号进行辨别选择，使脉冲高度多道分析器谱对过渡族金属中ｄ电子态变化特别敏感［１￣６】。可用（ＭＣＡ）只记录正负电子湮没事件产生ｙ光子信号，此项技术研究了半导体或半导体化合物中微观缺陷即当同一湮没事件产生两个方向相反光子同一时和电子结构。如图３所示，分别采用单、双探头系统ｉ的Ｄｏｐｐｌｅｒ展宽谱并进行对比，在高动量刻被两个探头探测到的信号作为电路符合信号，此测量单晶ｓ时由于放射源光子康普顿散射、宇宙射线因不能部分的优势很明显能看出来［７１。同时进入两个探头机率大大减小而不被计数而大幅度降低谱线本底，实验可测得谱线峰高与本底之比３结论大于１０４，可以反映较高动量内层（核心）电子状态。
右）。微观上大量湮没事件累积结果其宏观表现使得
湮没光子按能量分布呈一个以５１１ＫｅＶ为中心的对称分布，其分布形状由湮没电子动量分布所决定，所
以由实验可得到动量分布信息。
ＰＬ
以正电子湮没多普勒展宽实验技术研究固体缺
量时采用样品一源一样品夹心结构，这与寿命测量中湮没前正电子是处于热化状态，其动量相对于所用相同。高纯锗探头测到湮没信号经过逐步放大后

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。

六章节原子吸收分光光度法

吸收强度与频率的关系及谱线轮廓。可见谱线是有宽度的。
K0
K0/2 I0
I K
0
I~ （吸收强度与频率的关系）
吸收线轮廓
K~ （谱线0 轮廓）吸收系数轮廓
图中：
K—吸收系数；K0—最大吸收系数； 0，0—中心频率或波长
(由原子能级决定)；
，—谱线轮廓半宽度（K0/2处的宽度）；
第六章原子吸收分光光度法
A∝ c
第六章原子吸收分光光度法
锐线光源：能发射出半宽度很窄的谱线的光源。其发射线的半宽度比吸收谱线的半宽度小得多，约为吸收谱线宽度的1/5。
第六章原子吸收分光光度法
第二节原子吸收光谱仪器及其组成
AAS仪器由光源、原子化系统（类似样品容器）、分光系统及检测系统。
原子化器空心阴极灯
六章节原子吸收分光光度法
第六章原子吸收分光光度法
第六章原子吸收分光光度法
概述：原子吸收分光光度法（atomic absorption spectro-photometry, AAS）
1.AAS概念：通过测量样品蒸气中基态原子对特征谱线吸收程度建立的定量分析方法
2.AAS的发展：20世纪50年代提出由walsh创立。 3. AAS与UV-Vis的比较：
缺点：原子化效率低、用样量多。
第六章原子吸收分光光度法
2.结构：组成：雾化器、雾化室、燃烧器。（1）雾化器：试样雾化。要求：喷雾稳定/雾滴
小、雾化效率高。原理：影响雾滴形成因素：样液物理性质、助燃气
压力、流速等（2）雾化室：雾滴、燃气、助燃气混合；雾滴排除
，减小记忆。（3）燃烧器：形成火焰，试液燃烧、蒸发、原子化 3.火焰状态：贫燃、化学计量性、富燃。

原子光谱的展宽机制和描述方法

原子光谱的展宽机制和描述方法作者：廖腊梅曹虹来源：《新校园·上旬刊》2017年第09期摘要：本文分析了原子谱线的展宽机制和描述方法，分别对自然展宽、多普勒展宽、赫鲁兹马克展宽和自吸展宽进行了研究。

这一研究对原子光谱法在实际应用中具有一定的参考价值。

关键词：原子光谱；谱线轮廓；展宽一、引言原子光谱是原子中的核外电子跃迁并辐射出光子而形成的光谱，根据光谱产生过程，可分为原子吸收光谱和原子发射光谱，通称为原子光谱。

原子吸收光谱法，英文为Atomic Absorption Spectroscopy（AAS），是根据某种元素的原子蒸气只能由符合条件的光子进行吸收的原理对原子进行检验的方法，被称为原子吸收分光光度法。

原子吸收现象在19世纪初才被注意到，原子吸收光谱法的基础测量到1955年才渐渐形成，该方法主要应用在对金属成分及含量的分析。

这种方法在19世纪60年代后得到进一步重视并迅速发展，逐渐成熟起来。

目前该方法可对钠、锂等70多种元素进行直接检测，主要应用于测量含有微量或少量元素的物质。

测量仪器简单实用，抗电磁干扰能力强，灵敏度高，精密度高，使用方便。

根据原子结构理论可知，当原子从一个能级跃迁到另一个能级时，会以光子的形式被辐射或吸收。

由于光源有不同能量状态的原子，在相同的时间内，相同的光源可以发出很多不同波长的谱线。

光谱就是描述这些不同谱线的波长和强度分布。

原子光谱线并非一条严格的几何曲线。

无论是辐射线或光子吸收线形成的谱线都有一定的外形，即谱线轮廓。

本文即对谱线轮廓产生的物理机制和描述方法进行分析讨论。

二、原子谱线的展宽谱线轮廓是指谱线强度根据频率的变化形成的几何曲线。

使用一定强度的光束照射等离子体原子蒸汽，通过测量穿过蒸气的光判断光的吸收强度。

人们总结出光吸收定律，即投射光强和入射光强满足指数衰减规律，衰减快慢与原子蒸汽厚度和吸收系数有关。

从光吸收定律可以看出，原子蒸汽对不同频率的光吸收不同，对中心频率吸收最大，而对两侧频率吸收逐渐减小，因此吸收光谱呈现倒钟形，称为吸收谱线的展宽。

光谱线的碰撞展宽和多普勒展宽的产生

光谱线的碰撞展宽和多普勒展宽的产生
光谱线的碰撞展宽是指由于原子或分子与其他粒子的碰撞而导致的线宽增加。

当光通过原子或分子气体时，会和气体中的原子或分子发生碰撞。

碰撞会导致原子或分子的能级发生变化，从而使得光谱线的频率发生变化。

碰撞引起的能级变化会导致光谱线的展宽增加，即波长范围增大。

多普勒展宽是指由于源或接收者的运动而导致的光谱线的展宽。

当光源或接收者相对于观测者运动时，光谱线的频率会相对于静止时产生变化。

这是由于多普勒效应的影响引起的。

多普勒效应是指当发光源与观察者之间存在相对运动时，观察者所观测到的光谱线频率会发生变化。

源或接收者向观察者靠近时，光谱线的频率会增加，即波长变短，导致光谱线展宽增加。

总而言之，光谱线的碰撞展宽是由于碰撞引起的能级变化而导致的，光谱线的多普勒展宽是由于源或接收者的运动而引起的。

这两种展宽机制都会使得光谱线的展宽增加，波长范围变大。

光谱线及谱线展宽分析

=3.77106(W.m-2)
黑体(朗佰体)的亮度 Le= Me/
辐射亮度 Le= Me/=3.77106/
=1.2106（W.m-2.sr-1）
作业
=2
S
Me=3.77106(W.m-2) 因为 Me=de/dA e=Me.A=3.77106810-6=30.16(W) 而 Ie= de/dΩ=e/2=30.16/2=4.8 (W.sr-1)
n2B21g(v) (v0)dv
n2B2 1(v0)
(v)(v0)
d2n1
dt受
激 n 辐 2B 21 射 (v0)W 2n 1 2
得
W 21 B2 1(v0)
同理可得
W 1 2B1 2(v0)
总之：由前面的讨论看出，不管入射辐射场为准单色光也好，为波长范围很宽的连续谱也好，都只有当辐射场的波长等于原子能级的中心频率时才会产生较强的受激辐射光。
作业 P34
7题 11题
作业
复习
一、谱线的展宽： 1、种类： 2、原因：
均匀加宽
非均匀加宽
自然加宽
碰撞加宽
多普勒加宽
10、原子间的相互作用产生
20、原子能级的寿命 30、能量的测不准关系 3、定义线型函数
用来描述不同辐射频率原子的跃迁几率的大小
g(v) I(v) I0
4、自然加宽：对所有原子辐射谱都存在的加宽如晶格原子的热振动引起的加宽
d vc2 d31180 0 110 0 93190Hz
课堂练习 1．如果激光器在=3000MHz输出1w连续功率，间每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？
2、入射辐射场为连续光谱：如黑体的辐射场
入射辐射场为连续光谱，宽度’

光谱线展宽的物理机制讲解

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 profile (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 line broadening. 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。

光谱线展宽的物理机制

光谱线展宽的物理机制光谱线的展宽是指原本应该是尖锐的光谱线，由于一系列的非理想因素而变宽的现象。

光谱线的展宽的物理机制主要包括自然展宽、多普勒展宽和压力展宽。

自然展宽是由于量子力学中的不确定性原理导致的。

根据不确定性原理，粒子的位置和动量无法同时被确定，而只能有限度地确定。

在原子和分子的能级之间进行能量传递和吸收/发射光谱线的过程中，能级的宽度不确定会导致光谱线的展宽。

这种展宽可以通过薛定谔方程来描述，计算得到在给定能量范围内可能存在的概率分布。

自然展宽是对于一个孤立的原子或分子而言，在真空中不受其它效应影响时的展宽。

多普勒展宽是由于原子或分子的热运动引起的。

根据多普勒效应，当原子或分子向观察者靠近或远离时，其发出/吸收的光的频率会发生变化。

对于朝向观察者运动的原子或分子，其发出的光会具有比静止状态频率更高的频率，从而导致光谱线向蓝色偏移，即蓝移。

而远离观察者运动的原子或分子则会产生红移。

因此，原子或分子在热运动中存在不同速度的分布，导致光谱线在频率方向上展宽。

多普勒展宽可以通过麦克斯韦-玻尔兹曼分布来描述原子或分子的速度分布，并计算光谱线的展宽。

压力展宽是由于原子或分子与周围环境分子碰撞而引起的。

在气体中，原子或分子会相互碰撞并相互作用。

这些碰撞会导致能级的变化、碰撞能量的重新分布，从而影响光谱线的形状。

压力展宽通常是对于高压和高密度的气体而言，在这种情况下，碰撞事件非常频繁，光谱线的展宽明显增大。

压力展宽可以通过气体的状态方程、能级密度分布和碰撞截面等参数来描述。

除了以上的物理机制之外，还有一些其他因素可以影响光谱线的展宽，例如光源的发散角度、仪器分辨率等。

这些因素通常被称为仪器展宽，是由于测量仪器或实验设备的一些特性导致的光谱线展宽。

总之，光谱线的展宽是由于一系列物理机制的影响造成的。

自然展宽是由不确定性原理导致的，多普勒展宽是由原子或分子的热运动引起的，压力展宽是由原子或分子与周围环境碰撞造成的。

光谱的线宽和线形

Is R1 R2 R
R
漂白（无吸收）： s , N 0, 0
无光泵的吸收系数
0 12 N
频率依赖饱和参数中心频率饱和参数
无饱和效应有饱和效应
饱和光强：其增益为弱光条件下的1/2 S=1
饱和光强
Is
I s1 c (12 ) s1
cR B12
仅为自发辐射，RA21 / 2 cA21 c 8 h 3 4 h
Z [amu]
1 23 85 85 7 7 133 44 87
[nm] 121.6 589.1 780.0 780.0 670.8 670.8 852.1 10m 6.8 GHz
T [K] 1000 500 300 144K 600 140K 300 300 300
D [GHz] 55.8
1.7 0.52 0.36 MHz 3.0 1.4 MHz 0.38 0.056 9.0 KHz
一、Doppler效应 (一级)
第3.2节 Doppler线宽
原子发射观察者不动辐射源动
相向运动时观察者感觉辐射场频率升高，反向时感觉频率降低
原子吸收观察者动辐射源不动
(原子感受到的光频率) (共振条件 0 = ’ )
原子实际吸收的光频 a L
e (or a ) 0 k 0 kz 0 (1z / c)
四、Lorentz线型与Gauss线型的比较
Doppler shift
G( ) 2
{( 0 )2 4ln 2}
ln 2 e , D
G( )d 1
D
0
D
4
ln
20
p
c
0
c
8kT ln 2 m
Center: G + L Wing: L

光谱学基础知识(3)

考虑各个能级的跃迁
Ak Aki
i
4
自发辐射跃迁几率：
由于自发辐射，激发态的粒子数变化可以写成：
dNk Ak Nk dt
Nk t Nk 0 exp Ak t
经过时间k=1/Ak后，Nk下降到初始时的1/e, 称k为能级Ek的平均自发寿命
结论：一个能级的自发发射跃迁几率等于该能级的平均自发寿命的倒数。
Байду номын сангаас
根据谱线宽带的定义： 1 2
I 1 I 2 I 0 / 2
D 2 20
Vp c

0
ln 2 8 kT c m
1 2
D
c
c
2 RT
热力学统计：
M N0 m R N0 k
ln 2 M
7.16 10 7 0 T / M
因此为了计算i需要计算距发光原子rrdr内最邻近粒子的几率prdr它等于drlaserspectroscopyitsapplication54考察相互作用的两个粒子根据相互作用势能表示式相互作用引起的频率变化等于用平均距离表示这个变化的平均值laserspectroscopyitsapplication55谱线的两线翼相应于频率变化的最大点对这两线翼影响最大的是那些距离r最小的最近的粒子
E (t ) E ( )e

i t
d
E ( )
1 2

0
E (t )e i t dt
Laser spectroscopy and its application
14
E(t ) E0 e
t 2

e
i0t