第二章 电磁波谱

红外线





波长0.77—1000(um)。可分为近红外波段（0.76—3 um ）， 中红外（3—6 um ），远红外（6—15 um ），超远红外 （15—1000 um ） 近红外波段是地表层反射太阳的红外辐射，故又称反射红外。 其中靠近可见光红光的0.76—1.3 um波段可使胶片感光，故 又称摄影红外。 而中远红外是地表物体发射的红外线，反映物体的热特征， 故称热红外。热红外只能用扫描方式，经过光电信号的转换 才能成象。主要为分子光谱 超远红外，处于非大气窗口（大气屏障） 红外是一个很有发展潜力的遥感波段。
二、电磁波的特性



电磁波叠加 干涉 衍射 偏振 多普勒效应 色散 波粒二象性



电磁波叠加 当振动方向和振动频率均不同的多列电磁波 在空间相遇时，相遇点的复合振动等于各列波在该点的矢量 和，而在其它位置各列波仍保持原有的特征（振动方向、频 率等保持不变），因此，波的传播是独立的. 干涉 两列频率、振动方向、相位都相同或相位差恒定的 电磁波叠加时，某些部位振动永远加强，而另一些部位的振 动永远减弱或完全抵消的现象，称为电磁波的干涉 衍射 如果电磁波投射击在一个它不能透过的有限大小的障 碍物上，将会有一部分波从障碍物的边界外通过，这部分波 在超越障碍物时，会改变方向绕过其边缘而达到障碍物后面 的阴影区
能量（ev） 107 ——105 104 ——102 102 ——4 4——1 1——10-5 10-4 ——10-5 同上 10-7
相应的电磁波
线
X线 紫外线 可见光 红外线 微波 微波 米波
单位 1 ev（电子伏）的能量 = 1.60219 10-19 J 1 ev（电子伏）的光的波长 = 1.23985m
二、各谱段的特性



宇宙射线 r—射线 x—射线 紫外线 可见光 红外线 微波

宇宙射线 波长<10-8 um ，是来自宇宙天体具有很大 能量和贯穿能力的电磁皮，人工还无法能产生。遥感 上了未能用得上的波段。 r—射线 10-8—10-6 um, 是能量很高的波段。航空物 探放射性测量所记录的就是由含放射性元素的矿物所 辐射出来的射线。 x—射线 波长10-6—10-2 um ，宇宙中来的—射线，被 大气层全部吸收，不能用于遥感工作。
B
2 n2 n12

用波数表示为： R为理德伯常数
~R
2 n2 2 n2 n12



1）原子存在于一系列不连续的稳定状态（定态），每 一定态与一定的能量相对应。定态下不产生辐射。 2）原子定态是有限制的。电子动量矩 P h 的整数倍 2 的轨道才存在，即： h
Pn 2
第二章 电磁波和电磁波谱
第一节 、电磁波的基本概念和性质 第二节 电磁波谱及其产生机理 第三节 电磁波谱的划分 第四节 电磁波谱的特性
第一节 电磁波的基本概念和性质
一、基本概念 二、电磁波的特性
一、基本概念



电磁波 电磁辐射 波速 波长 周期 频率 振幅 初相位




定态能量为：
2
m u2 ；动能为： 2

2 2 m Z2 e 2 1 En h2 n2 1 En R 2 n

发生级跃迁时，辐射光子的波数为：

与经验公式完全一致
E E 1 1 ~ R( 2 2) h n1 n2

其它原子要复杂 原子核质子、电子多 椭圆形轨道



色散 当进入介质时，不同波长的光波在同一 介质中的波速就有差异而分解。 波粒二象性 波动性－－ 主要表现为电磁波 有干涉、衍射、偏振、散射等现象。粒子性－ －电磁波实质上是光子微粒流的有规律的运动， 主要表现为电磁辐射的光电效应、光化学作用 等现象。 较短波长的电磁波主要表现出粒子性，波长越 短，粒子性表现愈明显；而长波电磁波则主要 表现出波动性
二、电磁波谱的产生的物理机制

玻尔理论 原子光谱 分子光谱 晶体光谱
玻尔理论



氢原子光谱：一个质子和一个电子组成 实验证实： 紫外——可见光——红外均出现氢原子光谱，由不 同线系组成。 每一线系内，谱线排列的间隔和强度均朝短波方向 有规律地递减。 2 波长经验公式为： n2
O
H H H
O
H H
O H
λ =2.738μm
λ =2.663μm
λ =6.270μm
不同的振动方式，产生不同波长的光子
晶体光谱

晶体中的吸收与发射光谱远比原子与分子复杂， 产生的是连续光谱，其光谱范围大约在红外区 3~30μm。
内部状态 原子核内部的相互作用 内层电子的电离作用 外层电子的电离作用 外层电子的激发 分子振动，晶格振动 分子旋转及反转 电子自旋和磁场相互作用 层磁场的相互作用


紫外线

波长 0.01—0.３８ um 。波长小于0.28微米的紫外线； 主要产生于内层电子跃迁 被臭氧层及其它成份吸收。只有波长0.28—0.38的紫外线， 能部分穿地大气层，但散射严重，只有部分投射到地面， 并使感光材料所感应，可作为遥感工作波段，称为摄影紫 外。现已开始用于监测气体污染及水体的油污染。





波长：是在同一波线上两个相位差为2的质点 之间的距离，即一个完整波的长度，以C表示 周期：以任点开始，振动传播一个波长所需的 时间，以T表示。 频率：单位时间内波动前进过程中所包含的波 数，以表示 振幅：振动点离开平衡位置两边的最大位移。 以A表示，也称强度 初相位：波形的时间提前或延后量以表示。


上式称主量子化条件；n=1,2,3,…正整数，称主量子 数； h 6.6271034 J .s 普朗克量子数 3）原子只有从一个能量为E’的定态跃迁到另一个参量 为E”的定态时才发射或吸收电磁辐射，其频率为： E E h
氢原子半径

氢原子中的电子（带一个-e电荷）半径为r的圆形轨道 上围绕原子核（+Ze）运动时受两个力作用：离心力 及核对它的库仑引力，二者大小相等：


偏振 通常电场强度在各方向（垂直于传播方向的 平面上）是相等的，若其总是固定在某个方向振动， 则称电磁波在该方向被极化（偏振）。依电场强度与 入射面（通常是地表面）的关系为水平极化（H）和垂 直极化（V），水平极化两者相互垂直，垂直极化两者 互相平行 ——一般可见近红外波段称偏振，微波波段称极化。 多普勒效应 当一个频率为f的电磁辐射源向着 ,或 背着观察者运动时，则观察者从这个源所接收到的辐 射将具有另一个频率f‘。如果辐射源向观察者运动， f‘大于f，如果背离观察者运动，则f‘小于f。

分子与原子一样也有它的特征的分子能 级图，因此可以产生分子光谱。
分子光谱
分子的能量E为： E=Ee+Ev+Er Ee ：电子能级的能量，其数量级在1~20eV之间。 Ev ：振动能级的能量，其数量级在0.05~1eV之间。 Er ：转动能级的能量，其数量级在10-4~0.05eV之 间。

水蒸汽分子键长不同变化产生不同的 部分振动光谱：
电磁波 是交变电磁场在空间的传播，它是 物质运动，能量传递的一种特殊形式. 电磁辐射 电磁波能量的传递过程（包括辐 射、吸收、透射等现象） 波粒二象性 电磁辐射具有波动性和粒子 （量子）性两方面特征。 波速 波在单位时间内传播距离。电磁波在 真空中的传播速度为每秒3108米/秒（每秒30 万公里），通常用C表示。
Ze 2 m u2 2 r r

P mur
根据玻尔理论得：
h2 2 r n 4 2 m Ze2

未激发基态半径： 激发基态半径：

h2 10 a0 0 . 529 10 m 2 2 4 m Ze
r a0 n2
氢原子量子化定态能量

电子在半径为r的轨道上的势能为：Ze r2 Ze 2 总能量为： E 2r
原子光谱
原子核能级间跃迁: 6 10 eV 原子核能级间跃迁能量数量级： 产生的光子：γ射线 内层电子能级间跃迁： 能量数量级： 104 eV 产生的光子：X 射线 外层电子的跃迁: 能量数量级几至数十 eV 产生紫外线、可见光和近红外线
分子光谱

分子光谱：分子内部的电子运动比原子内部的 电子运动复杂得多，除了电子跃迁外，还有分 子内原子的振动与整个分子的转动

可见光





波长0.38—0.76um 是人眼可见，可以用棱镜分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七 种色光; 在太阳辐射能中所占比例高； 能透过大气层； 外层电子跃迁产生 而地面物体对七色光多具有其特征的反射和吸收特性,故信息量 最大； 可以用摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常用的波段。 可见光波段的遥感技术最成熟，但仍然有很大潜力。当前分辨能 力最好的遥感资料，仍然是在可见光波段内。
微波





波长1mm—1m。是一个很宽的波段。为毫米波（1—10 毫米）、厘米波（1—10cm）和分米波（1—10分米）。 微波的特点是能穿透云雾和一定厚度的植被、冰层和 土壤，可获得其它波段无法获得的信息； 具有全天候的工作能力； 可以主动和被动方式成像； 可利用相位信息，便于精确测距； 因此在遥感技术上是很有潜力的一个波段。
表 2-4 物质的内部状态变化和电磁能量的关系
电磁波谱的划分及各谱段的特性

一、电磁波谱的划分 二、各谱段的特性(２)
一、电磁波谱的划分

波长范围不同的电磁波具有不同的特点。电磁 波谱的划分主要是根据不同波长电磁波的特性 来进行的。