高二物理竞赛光声光谱(PAS)课件
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光声光谱(PAS)
1
光声光谱(PAS)
1.光声光谱特点 光声光谱法对于不透明﹑高反射﹑高散射固体试样
（包括粉末），可直接测定，不需处理样品。适用于食 品检测。
传统分光光度计难以测量具有下面特点的样品的吸 收光谱，
* 强吸收、高分散的样品 * 制样困难的样品 * 必须进行无损分析的样品
传统的吸收光谱是相对测量，光声光谱是直接测量， 因而灵敏度高。
2. 超光速。Cs原子气体反常色散区，群折射率. ng 310
3. 慢光速，信息存储. 4. 钠原子团负热容量－基质隔离.
-1 ? 10 -11
-5 ? 10 -12
absorption curve
-0.5
1-1
-1.5
5? 10 -12
HL
lm 1? 10 -11
index curve
1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2
样品可以是固体、液体和气体。
2
实验证实Cerenkov线谱辐射的存在 低密度
高密度
Hale Waihona Puke 强度90Sr 源
～Fermi 函数
2.28MeV
D1 D2 钠蒸汽色散曲线
钠蒸汽
电子探测器
电子源
滤光片
表观光子数
电子能量
Na蒸气中的线谱辐射
160
80
0 20
40 60
角度θ(度）
80
3
工作意义
1. 细致了解光子－原子作用机制，Γ、 f 量子光学计算.
2-2
-2.5
-3
5889.9
5890
吸收系数α(λ)?
-1 ? 10 -11
5890.1 5889.9
-5 ? 10 -12 0.8
5? 10 -12
0.6
0.4
5890
折射率n(λ)?
HL
lm 1? 10 -11
5890.1
4
切伦科夫辐射在高能物理中，常应用于带 电粒子的量测，科学家在地面上一直利用 此原理，以深水检测器来进行宇宙射线 (cosmic ray)的研究，东京大学在岐阜神 冈町建造一座蓄有100万公吨的纯水蓄水槽， 来观察这些纯水是否会出现切伦科夫辐射； 建在南极洲的介子与微中子侦测器数组 AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array)亦为类似的计划。
光声技术基于检测样品无辐射跃迁过程中产生的热量，是一种绝对测量方法； 在弱吸收情况下，信号大小正比于入射光的强度，所以高功率密度的激光器是理 想的光源。因此，自1968年以来，随着激光器、高灵敏传音器和弱信号检测技术 的发展，光声光谱仪的探测灵敏度大大提高，在痕量分析、气体分子高禁戒7 光学 跃迁的记录等弱信号检测领域得到越来越多的应用。
科学家对宇宙射线中能量高于10的20次方电子伏特的高能粒子特别有兴趣。 这些高能粒子的切伦科夫辐射集中在电磁光谱中的微波区域。1962年，俄国科学 家Askaryan曾预测高能粒子撞击到致密的物质时，会以强烈的脉冲方式发射同调 切伦科夫辐射，此即为Askaryan效应。David Saltzberg等科学家为验证Askaryan效 应，利用史丹佛直线加速器(SLAC)的Final Focus TestBeam将γ射线射入沙箱，产 生预期中的同调微波，于是科学家进而将两具喷射推进实验室的射电望远镜指向 月球。他们预期当宇宙射线中的微中子撞击到月球背面，进入月球表层的土壤时， 会产生在月球正面可观测到的切伦科夫光，至目前为止，仪器读数显示测得的信 号来自遥远的类星体(quasar)，科学家仍期待会发现由月球产生的微波脉冲，如此 即可利用月球做为宇宙射线的侦测器了。
3. 固体光声效应的传声器检测理论－RG理论－即“活塞”模型
衬底b 样品s 气体边界层 气体(空气)g 窗口
入射光
-(l+lb) -l
0 2
麦克风
lg
x
Rosencwaig和Gersho提出了固体光声光谱的活塞模型。凝聚态试样吸收强度调 制的光能而受到交变加热，一部分热能在试样内部扩散，另一部分热能通过热传导 而流入与它相接触的气体，使试样－气体界面上的气体层交变加热。由于热波是一 种衰减很快的波，所以只有与试样相接触的界面附近的气体薄层才得到这种交变热 流而受到加热。此薄层气体由于交变加热而振动，犹如一个振动活塞而向其余气体 发射声波，其结果便在光声腔内激发出相应的声信号，由麦克风记录。扫描入射光 的波长为横坐标，麦克风记录的信号为纵坐标，便绘出光声光谱。
8
应用
(1) 吸收光谱
区分两种叶绿素
两种叶绿素的光声光谱,1(Chloro2phyll ,2 (Chlorophyll b)
9
光声效应是指样品吸收强度调制的光而激发起声波的效应，由Bell于1880年 发现。如图1.1所示，入射光照射装有气体样品的密闭光声池，如果光的波长与 气体的吸收线一致，则气体分子吸收光子而处于激发态。分子间的相互碰撞使一 部分受激分子通过无辐射跃迁过程而返回基态，激发能弛豫为平动能。宏观上表 现为池内气压的增大。若入射光的强度被调制，则池内压力周期性起伏－即产生 声波，可由传音器检测。如果入射光的波长与气体分子的吸收线不同，则气体分 子不被激发，池内气体不受强度调制的入射光的影响，传音器无信号输出。这样 连续改变强度调制的入射光的波长，同时记录传音器信号，便得到反映样品吸收 性质的光谱光声光谱。
5
光声光谱原理
入射光 样品 吸收
光能
发光衰减
(可见和紫外 Laser 光波段）
化学变化
Light chopper
(紫外光波段)
无辐射跃迁 （热效应，红 外波段）、
Microphone
Amplifier
Fig.1.1 Block diagram of a gas photoacoustic spectrometer.
6
样品吸收光能后，有三种方式释放能量，即无辐射跃迁（热效应）、发光衰 减和化学变化。在不发生化学反应的场合下，通常只有前两个过程发生，二者存 在相互竞争、制约的关系。就气体分子而言，在红外波段，分子吸收光能而处于 振动激发态，然后主要以无辐射跃迁的方式将振动能转化为平动能，辐射跃迁的 几率很小；在可见和紫外光区，分子吸收光能而处于电子激发态，电子态的荧光 量子效率高，分子主要以发光衰减的方式释放能量。所以在红外区域，常用热效 应研究光与物质的相互作用和物质的性质；而在可见和紫外光区，则利用物质的 发射或吸收光谱。
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光声光谱(PAS)
1.光声光谱特点 光声光谱法对于不透明﹑高反射﹑高散射固体试样
（包括粉末），可直接测定，不需处理样品。适用于食 品检测。
传统分光光度计难以测量具有下面特点的样品的吸 收光谱，
* 强吸收、高分散的样品 * 制样困难的样品 * 必须进行无损分析的样品
传统的吸收光谱是相对测量，光声光谱是直接测量， 因而灵敏度高。
2. 超光速。Cs原子气体反常色散区，群折射率. ng 310
3. 慢光速，信息存储. 4. 钠原子团负热容量－基质隔离.
-1 ? 10 -11
-5 ? 10 -12
absorption curve
-0.5
1-1
-1.5
5? 10 -12
HL
lm 1? 10 -11
index curve
1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2
样品可以是固体、液体和气体。
2
实验证实Cerenkov线谱辐射的存在 低密度
高密度
Hale Waihona Puke 强度90Sr 源
～Fermi 函数
2.28MeV
D1 D2 钠蒸汽色散曲线
钠蒸汽
电子探测器
电子源
滤光片
表观光子数
电子能量
Na蒸气中的线谱辐射
160
80
0 20
40 60
角度θ(度）
80
3
工作意义
1. 细致了解光子－原子作用机制，Γ、 f 量子光学计算.
2-2
-2.5
-3
5889.9
5890
吸收系数α(λ)?
-1 ? 10 -11
5890.1 5889.9
-5 ? 10 -12 0.8
5? 10 -12
0.6
0.4
5890
折射率n(λ)?
HL
lm 1? 10 -11
5890.1
4
切伦科夫辐射在高能物理中，常应用于带 电粒子的量测，科学家在地面上一直利用 此原理，以深水检测器来进行宇宙射线 (cosmic ray)的研究，东京大学在岐阜神 冈町建造一座蓄有100万公吨的纯水蓄水槽， 来观察这些纯水是否会出现切伦科夫辐射； 建在南极洲的介子与微中子侦测器数组 AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array)亦为类似的计划。
光声技术基于检测样品无辐射跃迁过程中产生的热量，是一种绝对测量方法； 在弱吸收情况下，信号大小正比于入射光的强度，所以高功率密度的激光器是理 想的光源。因此，自1968年以来，随着激光器、高灵敏传音器和弱信号检测技术 的发展，光声光谱仪的探测灵敏度大大提高，在痕量分析、气体分子高禁戒7 光学 跃迁的记录等弱信号检测领域得到越来越多的应用。
科学家对宇宙射线中能量高于10的20次方电子伏特的高能粒子特别有兴趣。 这些高能粒子的切伦科夫辐射集中在电磁光谱中的微波区域。1962年，俄国科学 家Askaryan曾预测高能粒子撞击到致密的物质时，会以强烈的脉冲方式发射同调 切伦科夫辐射，此即为Askaryan效应。David Saltzberg等科学家为验证Askaryan效 应，利用史丹佛直线加速器(SLAC)的Final Focus TestBeam将γ射线射入沙箱，产 生预期中的同调微波，于是科学家进而将两具喷射推进实验室的射电望远镜指向 月球。他们预期当宇宙射线中的微中子撞击到月球背面，进入月球表层的土壤时， 会产生在月球正面可观测到的切伦科夫光，至目前为止，仪器读数显示测得的信 号来自遥远的类星体(quasar)，科学家仍期待会发现由月球产生的微波脉冲，如此 即可利用月球做为宇宙射线的侦测器了。
3. 固体光声效应的传声器检测理论－RG理论－即“活塞”模型
衬底b 样品s 气体边界层 气体(空气)g 窗口
入射光
-(l+lb) -l
0 2
麦克风
lg
x
Rosencwaig和Gersho提出了固体光声光谱的活塞模型。凝聚态试样吸收强度调 制的光能而受到交变加热，一部分热能在试样内部扩散，另一部分热能通过热传导 而流入与它相接触的气体，使试样－气体界面上的气体层交变加热。由于热波是一 种衰减很快的波，所以只有与试样相接触的界面附近的气体薄层才得到这种交变热 流而受到加热。此薄层气体由于交变加热而振动，犹如一个振动活塞而向其余气体 发射声波，其结果便在光声腔内激发出相应的声信号，由麦克风记录。扫描入射光 的波长为横坐标，麦克风记录的信号为纵坐标，便绘出光声光谱。
8
应用
(1) 吸收光谱
区分两种叶绿素
两种叶绿素的光声光谱,1(Chloro2phyll ,2 (Chlorophyll b)
9
光声效应是指样品吸收强度调制的光而激发起声波的效应，由Bell于1880年 发现。如图1.1所示，入射光照射装有气体样品的密闭光声池，如果光的波长与 气体的吸收线一致，则气体分子吸收光子而处于激发态。分子间的相互碰撞使一 部分受激分子通过无辐射跃迁过程而返回基态，激发能弛豫为平动能。宏观上表 现为池内气压的增大。若入射光的强度被调制，则池内压力周期性起伏－即产生 声波，可由传音器检测。如果入射光的波长与气体分子的吸收线不同，则气体分 子不被激发，池内气体不受强度调制的入射光的影响，传音器无信号输出。这样 连续改变强度调制的入射光的波长，同时记录传音器信号，便得到反映样品吸收 性质的光谱光声光谱。
5
光声光谱原理
入射光 样品 吸收
光能
发光衰减
(可见和紫外 Laser 光波段）
化学变化
Light chopper
(紫外光波段)
无辐射跃迁 （热效应，红 外波段）、
Microphone
Amplifier
Fig.1.1 Block diagram of a gas photoacoustic spectrometer.
6
样品吸收光能后，有三种方式释放能量，即无辐射跃迁（热效应）、发光衰 减和化学变化。在不发生化学反应的场合下，通常只有前两个过程发生，二者存 在相互竞争、制约的关系。就气体分子而言，在红外波段，分子吸收光能而处于 振动激发态，然后主要以无辐射跃迁的方式将振动能转化为平动能，辐射跃迁的 几率很小；在可见和紫外光区，分子吸收光能而处于电子激发态，电子态的荧光 量子效率高，分子主要以发光衰减的方式释放能量。所以在红外区域，常用热效 应研究光与物质的相互作用和物质的性质；而在可见和紫外光区，则利用物质的 发射或吸收光谱。