光谱学

光谱学Spectroscopy余向阳E-mail: cesyxy@ Homepage: /yxyTel: 84110287Add: 中山大学激光所421室中山大学光电材料与技术国家重点实验室课程性质与安排课程对象: 2010级光信息、物理学、逸仙班2010级研究生课程性质: 光学专业硕士研究生学位课, 其他专业究生选修课本科生专业选修课课程教材: 讲义+参考文献助教:关烨锋(guanyefeng@, 爪哇堂414)学时: 本科生--36; 研究生--72(讲课: 36; 文献与研究: 36)学分: 本科生—2; 研究生--4上课时间: 每周四, 10~11节; 上课地点: 艺206平时成绩: 本科生: 作业+上课考勤: 占30%研究生: 作业+上课考勤+文献综述(3千字，6篇以上的文献), 占30%期未考试: 闭卷笔试, 占70%光谱学研究的主要内容光谱学主要研究内容是：物质-电磁波相互作用下的光谱现象、规律及其应用。

主要包括：1) 光谱学基本理论与方法；2) 各种物质体系(原子、分子、离子晶体-如稀土离子、固体材料—如半导体材料、复杂分子-如有机与生物大分子)的光谱，而其中原子、分子光谱是整个光谱的基础；3）计算光谱学、各种光谱技术、光谱学在科学研究中的应用。

课程的主要内容 绪论电磁场与物质之间的相互作用原子的能级结构与光谱双原子分子的能级与光谱分子的对称性与群论初步多原子分子的光谱分子的拉曼光谱分子的电子光谱计算光谱学导论离子光谱导论固体光谱导论激光光谱学导论光谱技术与应用导论知识背景 光学、激光原理原子分子物理学量子力学电磁学群论初步参考文献[1] 芶秉聪，吴晓丽，王菲，《原子结构与光谱》，国防工业出版社，2007.[2] 郑乐民，徐庚武，《原子结构与原子光谱》，北京大学出版社，1988.[2] 林美荣，张包铮，《原子光谱学导论》，科学出版社，1990.[3] 谢沧，伍钧锵，《原子光谱学》，中山大学讲义，1982.[4] 许长存，过巳吉，《原子与分子光谱学》，大连理工大学出版社，1989.[5] 王国文，《原子与分子光谱学导论》，北京大学出版社，1985.[6] 张允武，陆庆正，刘玉申，《分子光谱学》，中国科大出版社，1988.[7] 徐亦庄，《分子光谱理论》(清华大学出版社,1988)[8] I.N. 赖文著，徐广智，张建中，李碧钦译，《分子光谱学》，高等教育出版社，1985.[9] J.I. 斯坦菲尔德著，李铁津，蒋栋成，朱自强，《分子和辐射—近代分子光谱学导论》，科学出版社，1983.[10] E.B. 小威尔逊，J.C. 德修斯，P.C. 克罗斯著，胡皆汉译《分子振动—红处和拉曼振动光谱理论》，科学出版社，1985.[11] 吴国祯，《分子振动光谱学：原理与研究》，清华出版社，2001.[12] G. 赫兹堡著，王鼎昌译，《分子光谱与分子结构—双原子分子光谱》(第一卷)，科学出版社，1983.[13] G. 赫兹堡著，王鼎昌译，《分子光谱与分子结构—多原子分子的红外与喇曼光谱》(第二卷)，科学出版社，1989.[14] 钟立晨，丁海曙，《分子光谱与激光》，电子工业出版社，1987.[15] 夏慧荣，王祖赓，《分子光谱学和激光光谱学导论》，华东师范大学出版社，1989.[16] Jeanne L. McHale, “Molecular Spectroscopy”, 科学出版社, 2003.[17] Jack D. Graybeal, “Molecular Spectroscopy”, McGraw-Hill BookCompany, 1988.[19] J. Michael Hollas, “Modern Spectroscopy”, John Wiley & SonsLtd., 1992.[20] 高兆兰，《分子光谱学》(双原子分子部分；多原子分子部分) ，中山大学讲义，1983.[21] 张思远,《稀土离子的光谱学—光谱性质和光谱理论》，科学出版社，2008.[22] 方容川，《固体光谱学》，中国科大出版社，2001.[23] 沈学础，《半导体光谱和光学性质》(第二版)，科学出版社，2002.[24] 张树霖，《拉曼光谱学与低维纳米半导体》，科学出版社，2008.[25] 陆同兴，路轶群，《激光光谱技术原理及应用》，中国科大出版社，2006.[26] 陈扬骎，杨晓华，《激光光谱测量技术》，华东师范大学出版社，2006.[27] 陆婉珍，《现代近红外光谱分析技术》，中国石化出版，2007.[28] 李民赞，《光谱分析技术及其应用》，科学出版社，2006.[29] 王志中等，《计算光谱学》，吉林大学讲义，1996.与光谱有关的现象比比皆是：红花绿叶,红灯绿酒,蓝天碧海, ……世界的颜色是缤纷多彩的光谱--光谱学--原子光谱学--分子光谱学--离子光谱学—固体光谱学--大分子体系让我们开始进入五彩缤纷、富有科学趣味、……光谱的世界Stimulated light Scattering of CS2 Pumped at 532 nm (SHG of YAG Laser)第0 章导论0.1 光谱学的概念与特征0.2 光谱学的发展0.3 光谱学的研究内容0.4 光谱学的应用0.1 光谱的概念与特征(一)光谱，全称为光学频谱，是复色光通过色散系统（如光栅、棱镜）进行分光后，依照光的波长（或频率）的大小顺次排列形成的图案。

光谱中最常见的一部分是可见光谱，这是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。

光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色.图0.1.1 模拟的自然光光谱图案复色光中有着各种波长（或频率）的光，这些光在介质中有着不同的折射率。

所以，我们知道，棱镜的分光原理是：当复色光通过具有一定几何外形的介质（如三棱镜）之后，波长不同的光线会因出射角的不同而发生色散现象，投映出连续的或不连续的彩色光带。

这是我们早期从光 光谱概念转换的常用例子。

当然，现代意义上的光谱学，显然把光谱的概念扩展了许多。

0.1.1 什么是光谱0.1 光谱的概念与特征(二)0.1.2 光谱的分类1. 按波长区域分在可见光谱的红端之外，存在着波长更长的红外线；同样，在紫端之外，存在有波长更短的紫外线。

红外线和紫外线都不能为肉眼所觉察，但可通过仪器加以记录。

因此，除前面提到的可见光谱外，光谱通常还包括有红外光谱与紫外光谱。

2. 按产生方式分发射光谱：有的物体能自行发光，由它直接产生的光形成的光谱叫做发射光谱。

发射光谱可分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱和连续光谱。

吸收光谱：在连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱被称作吸收光谱。

散射光谱：当光照射到物质上时，会发生非弹性散射，在散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。

这种产生新波长的光的散射被称为拉曼散射，所产生的光谱被称为拉曼光谱或拉曼散射光谱。

0.1 光谱的概念与特征(三)0.1.3 什么是光谱学光谱学(Spectroscopy)是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。

光谱是电磁辐射按照波长的有序排列，根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。

通过物质与不同频率的电磁波之间的相互作用来研究其性质(的一种方法/一门科学)。

拉丁文：“spectron”—幽灵,灵魂希腊文：“σκОπειν”—窥探,得知通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。

但是，光谱学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也提供了重要的定性与定量的分析方法。

在光的作用下，你并不是直接看到了分子—它的内部实质—而是它的“灵魂”。

你观察的是光与不同自由度的分子之间的作用。

每种类型的光谱—不同的光频率—给出不同的像→光谱.光谱学是一种通用的方法,它可以适用于很多情形提取你需要的信息(电子的能量、振动态、转动态、分子的结构和对称性、动力学信息)。

希望通过光谱来理解光与物质之间是如何相互作用的并且掌握如何使用这个来量化地了解你的样品(获取样品信息)。

希望通过对理解光谱学的理解, 就像我们理解其他一般测量的常见工具一样，像表或尺子那样。

我们将会发现，光谱学是一组工具，我们可以用不同的方式把它们放在一起来了解一个系统→解决物理、化学问题。

●光谱学首先是一门实验科学，随量子力学与计算科学的发展而成为理论性颇强的学科；●根据光谱学理论，已能足够准确地预测原子以及不很复杂的分子的光谱；●光谱学实验技术得到长足发展，研究对象已从原子、简单分子扩展至复杂分子、分子聚集体、凝聚态物质，尤其是生物分子、纳米材料……0.2 光谱学的发展(一)0.2.1 光谱学发展简史光谱(Spectroscopy)作为科学概念，可追朔至Newton(1665)的日光色散实验；太阳光呈现白色，当它通过三棱镜折射后，将形成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺次连续分布的彩色光谱，覆盖了大约在390到770纳米的可见光区。

历史上，这一实验由英国科学家艾萨克·牛顿爵士于1665年完成，使得人们第一次接触到了光的客观的和定量的特征。

其后一直到1802年，渥拉斯顿观察到了光谱线，其后在1814年夫琅禾费也独立地发现它。

牛顿之所以没有能观察到光谱线，是因为他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。

在1814～1815年之间，夫琅禾费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。

此后便把这些线称为夫琅和费暗线。

实用光谱学是由基尔霍夫与本生在19世纪60年代发展起来的；他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了几种当时还未知的元素，并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素。

Bunsen-Kirchoff火焰实验(1860)，开创棱镜发光光谱学，开始以光谱方法研究物质成分(元素、天体组成……)；尽管氢原子光谱线的波长的表示式十分简单，不过当时对其起因却茫然不知。

一直到1913年，玻尔才对它作出了明确的解释。

但玻尔理论并不能解释所观测到的原子光谱的各种特征，即使对于氢原子光谱的进一步的解释也遇到了困难。

能够满意地解释光谱线的成因的是20世纪发展起来的量子力学。

电子不仅具有轨道角动量，而且还具有自旋角动量。

这两种角动量的结合便成功地解释了光谱线的分裂现象。

电子自旋的概念首先是在1925年由乌伦贝克和古兹密特作为假设而引入的，以便解释碱金属原子光谱的测量结果。

在狄拉克的相对论性量子力学中，电子自旋(包括质子自旋与中子自旋)的概念有了牢固的理论基础，它成了基本方程的自然结果而不是作为一种特别的假设了。