稀土离子能级跃迁图
稀土发光材料及其发光原理)
2020/3/26
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稀土发光材料-电致发光材料
电致发光是将电能直接转换为光能的现象。目前应 用 稀 土 电 致 发 光 的 主 要 为 交 流 薄 膜 电 致 发 光 (ACTFEL) 与粉末直流电致发光(DCEL)。ACTFEL发光材料主要有 三价稀土氟化物掺杂的ZnS和ZnSe，比如说红色发光材 料 是 ZnS:NdF3 、 ZnS:SmF3 和 ZnS:EuF3 ， 绿色 发 光材料 ZnS:TbF3、ZnS:ErF3和ZnS:HoF3，蓝色为ZnS:TmF3等； 碱 土 金 属 方 面 主 要 是 稀 土 离 子 激 活 的 CaS 和 SrS 材 料 。 DCEL主要是稀土氯化物激活的CaS和SrS材料。
上世纪70年代，稀土X射线发光材料大量应用的有 以下几类： (1)铽激活的稀土硫氧化物 RE2O2S2:Tb(RE:Gd,La,Y)。 (2)稀土激活的卤氧化镧 LaOX:R3+(R:Tb,Tm,Ce;X:Cl,Br)。 (3)二价铕激活的氟卤化钡 BaFX:Eu2+(X:Cl,Br)。 (4)稀土钽酸盐 RETaO4:M(RE:La,Gd,Y;M:Tm,Nb)。
光 的 Y2O3:Eu3+ ， 发 蓝 光 的 BaMg2Al16O27:Eu2+ 及 绿 光 的 Ce0.67Tb0.33Al11O19荧光体。由于人眼对绿光的敏感性最 强且荧光灯中绿色成分占重要地位，需要选择一种高效
的绿色发光材料。Tb3+是绿光的主要发光材料，因此通 过Tb与不同化合物的结合，晶体结构与晶体场的作用使 Tb3+更容易吸收能量进行发射。Ce3+作为敏化剂，将能 量高效的吸收传递给Tb3+。目前使用的绿色荧光体主要 有 CeMgAl11O19:Tb(CAT) ， LaPO4:Ce,Tb 及 其 变 体 ， Y2SiO5:Ce,Tb(正硅酸氧钇)以及REMg5BO10(稀土五硼酸 盐)等。
2-稀土离子的光谱特性
磁量子数与原子轨道
❖ 对于角量子数为l 的原子，m的取值有 （2l +1）个。（注意l 的取值从0开始,到±l）
❖ n、l 相同的轨道被称为等价轨道或简并轨道
s 轨道
物体而言）； 电子的运动速度很大；
图中 表示原子核，一个小黑点代表 电子在这里出现过一次
➢小黑点的疏密表示电子在核外空间单 位体积内出现的概率的大小。
现代物质结构学说 电子云
描述核外电子运动状态的四个量子数
1、主量子数n（电子层）
原子核外的电子可以看作是分层排布 的。处于不同层次中的电子，离核的 远近也不同。离核愈近的电子层能级 愈低，离核愈远的电子层能级愈高。
原子半径 187.7 182.5 182.8 182.1 181.0 180.2 204.2 180.2 178.2 177.3 176.6 175.7 174.6 194.0 173.4 180.1
三价离子 La3+ Ce3+ Pr3+ Nd3+ Pm3+ Sm3+ Eu3+ Gd3+ Tb3+ Dy3+ Ho3+ Er3+ Tm3+ Yb3+ Lu3+ Y3+
❖ ② 泡利不相容原理：一条轨道最多容纳两个自旋 相反的电子。
各层最多容纳2n2 个电子
❖ 最外层不超过8个（K层2个） ❖ 次外层不超过18个， ❖ 倒数第三层不超过32个。
③ 洪特规则 (Hund’s rule)：在等价轨道上，电子将尽先分占
各轨道，且自旋平行。（量子力学理论已证明：原子中自旋平行 电子的增多有利于能量的降低）
发光材料的物理基础
导，电子空穴通过导带和价带
把能量传递给发光复合发光。 主要用在剂量学中。
二、发光过程图解
吸收能量激发-弛豫-发射（或能量传递）
光吸收的能量和发射的能量是不同的，由于有弛豫过程
，所以往往发射的能量小于吸收的能量，吸收能量和发 射能量的差值就是斯托克斯位移（Stokes shift）。-斯托 克斯发射。 当然，也有发射能量大于吸收能量的-反斯托克斯发射（ 如上转换发光-吸收多个光子发射一个光子）。
ZSM，5B 卤粉（480） 305， 565
1.2.荧光粉的要求
对于一个有效的荧光粉应具备如下要求：
1.能够有效地吸收激发能量；
2.能够把吸收的激发能量有效地传递给发光中心；
3.发光中心具有高的辐射跃迁效率。
反射光 入射光 吸收光 透射光
对能量（光）的吸收是发光的前题，对光的吸收方 式不同，荧光粉的发光机理、应用场合都不同。
由电子空穴对驰豫到发光中心，
使得发光中心被激发；随后产生 发光。 PDP用荧光粉,如BAM:Eu，Znபைடு நூலகம்SiO4:Mn等属于这种情况
（3）激发能量远大于材料带隙（Eex>>Eg）
高能射线（x射线，射线）、高能粒子或电子束作用于 样品，基质材料吸收高能光子或高能粒子，产生许多
空穴和电子缺陷，但是不会自动复合发光（光储存）
荧光粉发光基础
主要内容
荧光粉的组成及要求 发光过程、Stokes位移及位形坐标 稀土离子激活荧光粉的物理基础 稀土离子能级图 含有电荷迁移态之间的光学跃迁 4f-5d跃迁 能量传递 浓度猝灭
一、荧光粉（phosphor）
荧光粉（发光材料） 是指在紫外辐照、X射线、电子轰击、摩 擦或其他激发方式作
稀土元素的能级跃迁和光谱特征
975
360-780 364-652
无色
绿色 微红
Pm3+（4f4) 548-735
Sm3+（4f5) 362-402 Eu3+ （4f6) 375-394 Gd3+ （4f7) 272-275 Eu2+ （4f7) 黄色
粉红
黄 黄 无色 无色
Ho3+ （4f10)
Dy3+ （4f9 ) Tb3+ （4f8) Sm2+ （4f6) Yb2+ （4f14)
元素
吸收范围(nm) 颜色 无
பைடு நூலகம்
元素
吸收范围(nm) 无
颜色 无色
La3+（4f0) 无
Lu3+ （4f14)
Ce3+ （4f1) 210-251
Pr3+ （4f2) 444 -588 Nd3+ （4f3) 354-868
无色
绿色 微红
Yb3+ （4f13)
Tm3+ （4f12) Er3+ （4f11)
c.中心离子与配体的距离和配位数： 中心离子与配体的距离和配位数对谱带的 位移及方向均产生影响，从下表数据可看出： 中心离子与配位原子之间的距离越短，配 位数越小，谱带向低波数方向位移越大。 例如：在Pr３＋,Nd ３＋的氧基丁二酸盐配 合物中，随着氧基丁二酸盐逐步取代水合离子 中的水分子时，使RE-O 之间的平均距离减小， 谱带向长波方向位移， （１－β，）增大，配 位数（CN)减小。
4F 9/2
18
16 14 12
6F 3/2
10
8 6 4 2 Pr
1G 4 3F 3F4 3 3F 2 3H 6 3H 5 3H 4
稀土发光材料及其发光原理.
稀土发光材料-光致发光材料
光致发光材料早前主要用于隐蔽照明、紧急照明以 及飞机的仪表盘等，随着上世纪70年代能源危机的出现， 发光材料用于照明设备的研究逐渐成为热点，荧光灯稀 土材料迅速发展。荧光灯使用的三基色材料主要为发红 光 的 Y2O3:Eu3+ ， 发蓝 光 的 BaMg2Al16O27:Eu2+ 及 绿光 的 Ce0.67Tb0.33Al11O19 荧光体。由于人眼对绿光的敏感性最 强且荧光灯中绿色成分占重要地位，需要选择一种高效 的绿色发光材料。Tb3+是绿光的主要发光材料，因此通 过Tb与不同化合物的结合，晶体结构与晶体场的作用使 Tb3+ 更容易吸收能量进行发射。 Ce3+ 作为敏化剂，将能 量高效的吸收传递给 Tb3+。目前使用的绿色荧光体主要 有 CeMgAl11O19:Tb(CAT) ， LaPO4:Ce,Tb 及 其 变 体 ， Y2SiO5:Ce,Tb( 正硅酸氧钇 ) 以及 REMg5BO10( 稀土五硼酸 盐)等。
稀土发光材料及其发光原理
冶金与环境学院
2018/12/20
稀土发光材料
发光是物质中能量的吸收、存贮、传递和转换的 结果；根据发光方式的不同分为光致发光、阴极射线 发光电致发光、放射发光和X射线发光等。稀土离子中， Ce3+和Eu2+发光光谱是宽谱带，其它三价离子都是锐线 谱。三价稀土离子外层电子组成满壳层(5s2p6)，当内层 4f电子吸收能量后跃迁到激发态，再次跃迁至低能级时 释放能量，发射光谱。目前稀土发光材料已广泛应用 于显示显像、新光源、X射线增感器、核物理与核辐射 探测、医学放射图像摄影技术，并向其它高技术领域 拓展。
2018/12/20 4
稀土离子的光谱特性
第二讲稀土离子的光谱特性稀土因其特殊的电子层结构，而具有一般元素所无法比拟的光谱性质，稀土发光几乎覆盖了整个固体发光的范畴，只要谈到发光，几乎离不开稀土。
稀土元素的原子具有未充满的受到外层屏蔽的4f5d电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，构成众多的发光和激光材料。
稀土化合物的发光是基于它们的4f电子在f—f组态之内或f—d组态之间的跃迁。
具有未充满的4f壳层的稀土原子或离子，其光谱大约有30000条可观察到的谱线，它们可发射从紫外光、可见光到红外光区的各种波长的电磁辐射。
稀土离子丰富的能级和4f电子的跃迁特性，使其成为巨大的发光宝库，从中可发掘出更多新型的发光材料。
第一节稀土元素基态原子的电子层构型及光谱项1、稀土元素的电子层构型稀土元素包括17种元素，即属于元素周期表中ⅢB族的15个镧系元素以及同一族的钪和钇。
钪和钇的电子层构型分别为：Sc 1s22s22p63s23p63d14s2Y 1s22s22p63s23p63d104s24p65s2镧系原子的电子层构型为：1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f n5s25p65d n＇6s2，n=0-14, n＇=0或1。
镧系稀土元素电子层结构的特点是电子在外数第三层的4f轨道上填充，4f轨道的角量子数l=3，磁量子数m可取0、±1、±2、±3等7个值，故4f亚层具有7个轨道。
根据Pauli不相容原理，在同一原子中不存在4个量子数完全相同的两个电子，即一个原子轨道上只能容纳自旋相反的两个电子，4f亚层只能容纳14个电子，从La到Lu，4f电子依次从0增加到14。
形成三价稀土离子时首先失去的是6s和5d电子，使三价稀土离子具有顺序增加的4f n 电子结构，n=0，1，…，14，分别对应于La 3+，Ce 3+，…，Lu 3+离子。
第三章：稀土元素的光谱特征及
例如： Sm３+ Eu３+ Tm３+Yb３+的配合物中易出现
b. f-f跃迁光谱是类线性的光谱 谱带尖锐的原因是:处于内层的4f电子受到5s
和5p电子的屏蔽，受环境的影响较小，所以自由 离子的光谱是类原子的线性光谱。
[Kr]4d104fn5S25P65d0-16S2 于d-d跃迁吸收光谱有所区别： 由于d电子是处于外层，易受环境的影响使谱
带变宽。
如稀土离子的f-f 跃迁谱带的分裂为100cm-1左 右，而过渡金属元素的d-d跃迁谱带的分裂
4I15/2 4F9/2
6F1/2 6F56/H2 6F56/F23/72/2
6H7/2 6H9/2 6H11/2 6H13/2
6H15/2 Dy
§3-2稀土离子的吸收光谱 稀土离子的吸收光谱的产生归因于三种情
况： 来自fn组态内的能级间跃迁即f-f跃迁； 组态间的能级间跃迁即f-d跃迁； 电荷跃迁如配体向金属离子的电荷跃迁。
Er3+ （4f11) 364-652 微红
Ho3+ （4f10) 287-641 粉红
黄
Dy3+ （4f9 ) 350-910 黄
Tb3+ （4f8) 284-477 无色
Sm2+ （4f6)
红褐色
Yb2+ （4f14)
绿色
从上表可看出： RE3+的颜色，其中4fn ,4f14-n组态的离子有
稀土发光材料及其发光原理
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稀土发光材料-其他稀土发光材料
稀土闪烁体是闪烁探测器的核心部分，当带电粒子、 射线或者中子通过闪烁体时激发闪烁体而发光，是研究 核物理的重要部分；目前 Gd2O2S:Pr,Ce,F 陶瓷闪烁体用 于 X射线 CT医疗的氙气电离探测器中， Gd2SiO5:Ce闪烁 体用于制作正电子灵敏探测器，CeF3和LaF3:Ce闪烁体用 于现代医学图像显示核子科学中等。 稀土转换发光材料中存在发射光子能量大于吸收光 子能量的转换发光现象，该种发光材料主要根据基质分 为四类：①稀土氟化物， LaF3,YF3 等②稀土卤氧化物， YOCl3 等③稀土硫氧化物， La2O2S 等④稀土氧化物和复 合氧化物Y2O3,NaY(WO4)2等。 稀土热释发光材料主要用于探测核辐射剂量、发射 医 学 以 及 生 物 学 等 ， 目 前 比 较 成 熟 的 有 CaSO4: (Dy,Sm,Tm)，CaF2:Dy，Mg2SiO4:Tb等。
右图显示了部分稀土 离子与金属硫化物电 致发光材料部分能级 跃迁发射光峰值对应 的波长
2014-12-12
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稀土发光材料-X射线稀土发光材料
X 射线光子流穿过物体，形成一个 X 射线潜像，通 过荧光屏或增感屏上的荧光粉转化为光学图像。 X射线 发光主要靠激发过程中产生的大量次级电子直接或间接 地激发发光中心，转变为可见光辐射。 上世纪70年代，稀土X射线发光材料大量应用的有 以下几类： (1)铽激活的稀土硫氧化物 RE2O2S2:Tb(RE:Gd,La,Y)。 (2) 稀土激活的卤氧化镧 LaOX:R3+(R:Tb,Tm,Ce;X:Cl,Br) 。 (3)二价铕激活的氟卤化钡 BaFX:Eu2+(X:Cl,Br)。 (4)稀土钽酸盐 RETaO4:M(RE:La,Gd,Y;M:Tm,Nb)。
稀土元素的光谱特征
b.对于给定的配体来说： 当稀土离子一定时，配体的还原性强，易给 出电子,配合物中易出现电荷跃迁吸收谱带。 如：对于Sm３+ Yb３+的环戊二烯和环辛四 烯配合物来 说，由于环辛四烯的还原性较环 戊二烯强，因此在 Sm３+ Yb３+的环辛四烯配 合物中可以看到电荷跃迁吸收谱带。
RE
RE
（２）. 谱带的位置： a.配体的还原性强，配合物中易出现电荷跃迁吸收 谱带，谱带的位置越向低波数方向移动。 例如： Sm３+ Eu３+ Yb３+的Br-配合物电荷跃迁 吸收谱带的位置比Cl-的配合物电荷跃迁吸收谱 带的位置出现在较低波数处。 b.对于给定的配体来说：金属离子氧化性强，越 易获得电子，电荷跃迁吸收谱带越易出现在较 低波数处。
例如： Sm３+ Eu３+ Tm３+Yb３+的配合物中易出现 电荷跃迁吸收谱带. 而且Eu３+的电荷跃迁吸收谱带出现在较低 波数处; Tm３+的电荷跃迁吸收谱带出现在较高波数 处. 原因：Eu３+的氧化性最强，易获得电子； Tm３+的氧化性最弱，得电子较难，需 吸收较高能量才能发生跃迁。
说明三价稀土离子的氧化性顺序。
（２）影响电子云重排效应的因素： a.配体的性质： 稀土离子配合物电子云重排效应的 大小可定量的用电子云重排参数 （１－β，）来表示。 （１－β，）越大表示谱带位移程度 越大。
稀土配合物的（１－β，）顺序如下： F-<H2O<acac(乙酰丙酮）<bac(苯甲酰丙酮）<dipy<phen< Cl- < Br- < I- < O22b.金属离子的性质： 不同的金属离子与同一配体结合能力不同， 引起谱带位移和方向不同。金属离子与配体键和 程度越大，谱位移越大，通常谱带红移。但也有 个别紫移。
稀土发光ppt
荧光体 颗粒形状 发射峰/nm 发光颜色
CaWO4 多面体
430 蓝O2S:Tb 多面体
545/490 绿
LaOBr:Tb 片状
462/374 蓝
LaOBr:Tm 片状
483/405 蓝紫
M’YTaO4:Tm 多面体
410 蓝紫
2020/11/28
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稀土发光材料-其他稀土发光材料
5D4→7F5跃迁产生的，颜色为黄绿色，与标准绿色有较 大差距。
2020/11/28
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稀土发光材料-光致发光材料
光致发光材料早前主要用于隐蔽照明、紧急照明以
及飞机的仪表盘等，随着上世纪70年代能源危机的出现， 发光材料用于照明设备的研究逐渐成为热点，荧光灯稀
土材料迅速发展。荧光灯使用的三基色材料主要为发红
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稀土发光材料-电致发光材料
电致发光是将电能直接转换为光能的现象。目前应 用 稀 土 电 致 发 光 的 主 要 为 交 流 薄 膜 电 致 发 光 (ACTFEL) 与粉末直流电致发光(DCEL)。ACTFEL发光材料主要有 三价稀土氟化物掺杂的ZnS和ZnSe，比如说红色发光材 料 是 ZnS:NdF3 、 ZnS:SmF3 和 ZnS:EuF3 ， 绿色 发 光材料 ZnS:TbF3、ZnS:ErF3和ZnS:HoF3，蓝色为ZnS:TmF3等； 碱 土 金 属 方 面 主 要 是 稀 土 离 子 激 活 的 CaS 和 SrS 材 料 。 DCEL主要是稀土氯化物激活的CaS和SrS材料。
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稀土发光材料-阴极射线发光材料
目前在投影电视需要的荧光体比较少，红色荧光体
主要为前面所述的掺铕硫氧化钇，蓝色荧光体主要有
稀土上转换发光材料
稀土上转换发光及其光电产品推荐目录一、什么是上转换发光？二、镧系掺杂稀土上转换发光的发光原理三、稀土上转换发光材料的应用四、相关光电产品推荐五、几个容易混淆的“上转换”概念一、什么是上转换发光？斯托克斯（Stokes）定律认为材料只能受到高能量的光激发，发射出低能量的光，即经波长短、频率高的光激发，材料发射出波长长、频率低的光。
而上转化发光则与之相反，上转换发光是指连续吸收两个或者多个光子，导致发射波长短于激发波长的发光类型，我们亦称之为反斯托克斯（Anti-Stokes）。
Figure 1.常规发光和上转换发光能级跃迁图Figure 2.样品被绿光激光激发之后产生荧光（左边样品为Stokes emission，右边样品为Anti-stokes emission）上转换发光在有机和无机材料中均有所体现，但其原理不同。
有机分子实现光子上转换的机理是能够通过三重态-三重态湮灭（Triplet-triplet annihilation，TTA），典型的有机分子是多环芳烃（PAHs）。
无机材料中，上转换发光主要发生在镧系掺杂稀土离子的化合物中，主要有NaYF4、NaGdF4、LiYF4、YF3、CaF2等氟化物或Gd2O3等氧化物的纳米晶体。
NaYF4是上转换发光材料中的典型基质材料，比如NaYF4:Er,Yb，即镱铒双掺时，Er做激活剂，Yb作为敏化剂。
本应用文章我们着重讲讲稀土掺杂上转换发光材料（Upconversion nanoparticles,UCNPs）。
二、镧系掺杂稀土上转换发光的发光原理无机材料有三个基本发光原理：激发态吸收(Excited-state absorption, ESA)，能量传递上转换(Energy transfer upconversion, ETU)和光子雪崩(Photon avalanche, PA)。
Figure 3.稀土上转换发光材料的发光原理(a)激发态吸收激发态吸收过程(ESA)是在1959年由Bloembergen等人提出，其原理是同一个离子从基态通过连续多光子吸收到达能量较高的激发态的过程，这是上转换发光最基本的发光过程。
荧光光谱的相关概念
实验1－4 荧光谱测量发布时间：2008-06-23实验1－4 荧光谱测量某些物质受到电磁辐射而激发时，它们能重新发射出相同或较长波长的光。
这种现象称为光致发光，荧光是光致发光现象中最常见的类型。
如果停止照射，则荧光很快（ 10-6s）地消失。
通常所观察到的荧光现象是指物质吸收了波长较短的紫外光后发出波长较长的可见荧光。
实际上，荧光现象并不限于上述情况。
有些物质吸收了紫外光，仍然发出波长稍长的紫外荧光。
有些物质吸收了比紫外光波长短得多的X射线，然后发出波长比所吸收的X射线的波长稍长的X射线荧光，据此而建立了X射线荧光分析法。
通过测量荧光的强度，可用于定量测定许多无机和有机物质，它已成为一种很有用的分析方法，特别在生物化学方面有着广泛的应用。
通过实验学习和掌握荧光光度计测定物质荧光光谱的原理和方法；熟悉荧光分光光度计的结构及使用方法；测量物质的荧光光谱一、实验原理发光物质因引起发光的原因不同可分为：热致发光、光致发光、电场致发光、阴极射线发光、高能粒子发光及生物发光等多种发光方式。
光致发光的原理是分子在吸收了光能后，从基能态跃迁到高能态，在它们再从高能态返回基能态时，以光能的形式向外释放之前吸收的外来能量，即光致发光所发生的光。
（一）荧光的产生物质吸收光能后所产生的光辐射称之为荧光和磷光单重态和三重态。
分子中的电子运动包括分子轨道运动和分子自旋运动，分子中的电子自旋状态，可以用多重态2S+1描述，S为总自旋量子数。
若分子中没有未配对的电子，即S=0，则2S+1＝1，称为单重态；若分子中有两个自旋方向平行的未配对电子，即S=1，则2S+1＝3，称为三重态。
大多数分子在室温时均处在电子基态的最低振动能级，当物质分子吸收了与它所具有的特征频率相一致的光子时，由原来的能级跃迁至第一电子激发态或第二电子激发态中各个不同振动能级，其后，大多数分子常迅速降落至第一电子激发态的最低振动能级，在这一过程中它们和周围的同类分子或其他分子撞击而消耗了能量，因而不发射光。
稀土离子的吸收光谱
3.1.2稀土离子的吸收光谱稀土离子吸收光谱的产生可归因于三种情况：来自f组态内的能级间的跃迁，即f→f跃迁；组态间的能级跃迁，即f→d跃迁；电荷跃迁，配体向金属离子的电荷跃迁。
1．f→f跃迁光谱指f组态内的不同J能级间跃迁所产生的光谱。
它的特点是：(1) f→f 跃迁是宇称选择规则禁阻的; 因此不能观察到气态的稀土离子的f→f跃迁光谱,由于配体场微扰,溶液和固态化合物虽能观察到相应的光谱，但相对于d-d跃迁来说，也是相当弱的，摩尔消光系数ε≈0.5lmol·cm，振动强度为10～10(指主要的跃迁类型--电偶极跃迁，这将在配合物光谱中述及)。
(2) f→f跃迁光谱是类线性的光谱。
谱带的尖锐原因是处于内层的4f电子受到5s、5p电子的屏蔽，因此受环境的影响较小，所以自由离子光谱是类原子的线性光谱，甚至在溶液和固体化合物中，也是这样的，尤其在低温条件下更为明显。
这点与d区过渡元素的d→d跃迁光谱有所区别。
d区过渡元素离子的d电子是外层电子,易受环境的影响，因而谱带变宽。
稀土离子的f→f跃迁谱带的分裂为100左右，而过渡元素的d→d跃迁的谱带分裂在1000～3000。
(3) 谱带的范围较广。
在近紫外，在可见区和近红外区内都能得到稀土离子(III)的光谱。
其中Sc、Y、La、Lu是封闭壳层结构，从基态跃迁至激发态需要较高的能量，因而它们在200-1000nm(50000～10000cm)的范围内无吸收，所以它们是无色的。
Ce、Eu、Gd、Tb虽在200～1000nm 范围内有特征的吸收带，但大部或全部吸收带均在紫外区内。
Yb的吸收带在近红外区内出现，所以Ce、Eu、Gd、Tb和Yb也是无色的。
Pr、Nd、Pm、Sm、Dy、Ho、Er、Tm有的吸收带存在于可见区内，因而它们是有色的。
RE的主要吸收峰及其消光系数列在表3.3中。
稀土离子(III)的谱带和颜色已列在表3.4中。
其中f和f组态的有相同或相近的颜色，La～Gd的颜色变化和由Gd～Lu的情况是相似的，只有Pm和Ho(f)的例外。
20121102稀土离子的光谱特性
第二讲稀土离子的光谱特性稀土因其特殊的电子层结构，而具有一般元素所无法比拟的光谱性质，稀土发光几乎覆盖了整个固体发光的范畴，只要谈到发光，几乎离不开稀土。
稀土元素的原子具有未充满的受到外层屏蔽的4f5d电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，构成众多的发光和激光材料。
稀土化合物的发光是基于它们的4f电子在f—f组态之内或f—d组态之间的跃迁。
具有未充满的4f壳层的稀土原子或离子，其光谱大约有30000条可观察到的谱线，它们可发射从紫外光、可见光到红外光区的各种波长的电磁辐射。
稀土离子丰富的能级和4f电子的跃迁特性，使其成为巨大的发光宝库，从中可发掘出更多新型的发光材料。
第一节稀土元素基态原子的电子层构型及光谱项1、稀土元素的电子层构型稀土元素包括17种元素，即属于元素周期表中ⅢB族的15个镧系元素以及同一族的钪和钇。
钪和钇的电子层构型分别为：Sc 1s22s22p63s23p63d14s2Y 1s22s22p63s23p63d104s24p65s2镧系原子的电子层构型为：1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f n5s25p65d n＇6s2，n=0-14, n＇=0或1。
镧系稀土元素电子层结构的特点是电子在外数第三层的4f轨道上填充，4f轨道的角量子数l=3，磁量子数m可取0、±1、±2、±3等7个值，故4f亚层具有7个轨道。
根据Pauli不相容原理，在同一原子中不存在4个量子数完全相同的两个电子，即一个原子轨道上只能容纳自旋相反的两个电子，4f亚层只能容纳14个电子，从La到Lu，4f电子依次从0增加到14。
形成三价稀土离子时首先失去的是6s和5d电子，使三价稀土离子具有顺序增加的4f n 电子结构，n=0，1，…，14，分别对应于La 3+，Ce 3+，…，Lu 3+离子。
稀土金属能级分析.
代表电子运动区域(轨道)的大小和它的总能量的主 要部分。 简称角量子数，代表轨道的形状和轨道角动量（按量 子力学理论，代表电子云的形状）且与电子能量有关 代表轨道在空间的可能取向，或轨道角动量在某一特 氢原子的电子云的概 殊方向（例如磁场方向的)分量（量子力学中代表电 率密度： 子云的伸展方向），因此，也称作磁量子数。 从上向下为主量子数 n = 1, 2, 3，...... s = 1/2 代表自旋角动量，对所有的电子是相同的,不 从左向右为方位角量 能成为区别电子态的参数。 子数 l = 0, 1, 2, ...... 代表自旋的取向，也代表自旋角动量在某一特殊方向 （例如磁场方向）的分量。
钠原子基态：1s22s22p63s1
电子占据轨道
2P 2P 3/2
钠原子激发态：1s22s22p63p1
3/2 1/2 -1/2 -3/2 1/2 -1/2
2P 1/2 2S 2S 1/2
基态：L = 0，S = 1/2 激发态：L = 1，S = 1/2
1/2 -1/2
单个电子的量子数：n, l, ml, ms 跃迁选择定则：l = 1； l = 0， 1 钠D线在磁场中的反常塞曼效应。在外磁场作用下，2 Sm 1/2态能级 原子或离子的量子态（能态）： L, S, J, mJ 2P 态分裂成 分裂成两个子能级，2P 态也分裂成两个子能级，
S = 1; L = 2
作为一个例子，我们考虑在光谱项 J = 3，2 或 1
中的LS耦合。
J 的值作为一个右下标附着在光谱项符号上， 所以 的三个分量是 和 。
总自旋 总轨道 总角动量 总轨道方向 总自旋方向
S s1 s2 , s1 s2 1, ......, s1 s2 L l1 l2 , l1 l2 1, ......, l1 l2 J L S , L S 1, ......, L S M L L, L 1, ......, L M S S , S 1, ......, S ml l , l 1, ......, l ms s, s 1, ......, s j l s, l s 1, ......, l s m j j , j 1, ......, j
稀土金属能级分析综述
基本原则
(1) 满壳层的电子不考虑
(2) 考虑泡利原理
(3) 考虑能量最低原理
(4) 考虑洪特定则
确定原子基态光谱项的简易方法
(1) 由泡利原理和能量最低原理求一定 电子组态的最大S。 (2) 求上述情况上的最大L。 (3) 由半数法则确定J。 (4) 按2S+1LJ 确定基态原子态（光谱项）。
典型的多电子原子的轨道能量Ei
轨道：具有某个 n 和 l 值； 壳层：具有某个 n 值。对于 n =1，2，3，4，…壳层的标号 K，L，M，N，O，P，Q…。
各壳层可以容纳的最多电子数
主量子数 n 壳层名称 最多电子数 2 n2 角量子数 l 支壳层 最多电子数 2(2l+1) 1 K 2 0 s 2 0 s 2 2 L 8 1 p 6 0 s 2 3 M 18 1 p 6 2 d 0 s 1 p 6 4 N 32 2 d 3 f 0 s 1 p 6 5 O 50 2 d 3 f 4 g 0 s 1 p 6 2 d 6 P 72 3 f 4 g 5 h
如果原子核具有一个非零的自旋量子数 I，原子还 有一个核自旋角动量，一般很小。
角动量耦合
来自于每个电子的轨道和自旋角动量的磁矩可以 被认为是不同的小磁棒，它们会发生相互作用。 我们把这种相互作用称为角动量的耦合，磁矩越 大则耦合越强。