第五章 地面和大气中的辐射过程 3 大气物理学课件
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• f和为分子吸收或发射谱线的位置。这种谱线由 有限个非常窄的吸收线或发射线组成，其间夹杂 该分子不可能发射和吸收的光谱间隙。
• 吸收光谱与发射光谱是一致的
分子光谱
表 5.3 分子的能级跃迁与吸收线中心波数和波长 能级跃迁 能量差(eV) 吸收线中心波长0 电子跃迁Ee 1~20 0.062~1.24m 振动Ev 0.05~1 转动Er 104~0.05
• 玻尔的原子理论给出这样的原子图像：电子在一些特定的可能轨道上 绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必 须是 h/2π的整数倍决定；当电子在这些可能的轨道上运动时原子不 发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子 才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和 能量之间关系由 E＝hν给出。玻尔的理论成功地说明了原子的稳定 性和氢原子光谱线规律。 • 玻尔的理论大大扩展了量子论的影响，加速了量子论的发展。1915年， 德国物理学家索末菲（Arnold Sommerfeld，1868-1951）把玻尔的原 子理论推广到包括椭圆轨道，并考虑了电子的质量随其速度而变化的 狭义相对论效应，导出光谱的精细结构同实验相符。 • 1916年，爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）从玻尔的原子理 论出发用统计的方法分析了物质的吸收和发射辐射的过程，导出了普 朗克辐射定律。爱因斯坦的这一工作综合了量子论第一阶段的成就， 把普朗克、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体。
• -eV sign for DE indicates emission (+ eV for absorption) • Visible lines in H atom spectrum are called the BALMER series (里德博等式 )
• Ultra Violet Lyman • Infrared Paschen
Emission spectrum of H (cont.)
Light Bulb
Hydrogen Lamp
Quantized, not continuous
分子光谱
• 辐射频率f及波数与能量改变的关系是
f (Ee Ev Er ) / h f e f v f r
ຫໍສະໝຸດ Baidu
(Ee Ev Er ) / hc e v r
1.24 ~24.8m 24.8 ~12.4cm 403.2~0.8064
吸收线中心波数0(cm1) 161290~8064.5 8064.5~403.2
• 实际分子的转动跃迁常伴随着振动跃迁发生. • 在一个振动带内有许多转动谱线，而转动和振动 能量的变化又常伴随着电子能级跃迁.
• 使相应的谱带更呈现出复杂的带系结构.
• • •
The electron is not allowed a leisurely journey from one orbit to another It “jumps” instantaneously Also explains why some frequencies of light emitted by hydrogen are the sum of two other frequencies that are observed
分子光谱
• 气体分子或原子内的电子能级跃迁、原子和分子的 振动和转动等所发射和吸收的辐射谱是非连续性的， 构成原子的线光谱和分子的带光谱。 • 单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分子 内部总能量E由三部分组成 E = Ee + Ev + Er Ev：原子在其平衡位置附近振动的能量 Er：分子绕其质量中心转动的能量 （5.3.1）
第五章 地面和大气中的辐射过程
5.3 地球大气与辐射的相互作用
重点： • 吸收光谱、散射特征、布格定律 • 相关物理量
5.3.1 大气吸收的物理过程
吸收: 投射到介质上面的辐射能中的一部分被
转变为物质本身的内能或其它形式的能量.
大气中有各种气体成分及气溶胶粒子
对辐射具有选择吸收的特性
是分子和原子结构及其所处运动状态决定的。
Ee：绕原子核转动的外层电子的动能和静电位能
• • • •
An electron some distance from a nucleus has a particular value of potential energy Based on distance from the nucleus and the size of the electric field If you give the electron more energy, it gain potential energy and will move farther away from the nucleus!!! The opposite is also true. When an electron gives up energy to move closer, it will be emitted as a photon of light
分子光谱—举例
其吸收和发射谱由电子轨道跃迁造成，位于紫外
N2和O2分子：对称的电荷分布没有振动或转动谱。 和可见光辐射区。
•
H2O分子的原子呈三角形分布，是极性分子， 有三种振动方式。这三种振动过程都引起电偶 极距变化，产生吸收和发射，而转动和振动态 的结合使得水汽的吸收谱十分复杂。其中第一、 三种为伸缩振动，第二种是弯曲振动。 O3分子的原子也呈三角形分布，有三种振动方 式，其中9.6m的振动转动带比较重要。 CO2分子是以C原子为中心，O原子位于两侧 的线型对称分子，也有三种振动方式，但没有 转动带。 第一种方式是对称振动，因正、负电荷中心仍 然重合，不产生电偶极距变化，故不吸收和发 射辐射；第二种是弯曲振动，电偶极距发生了 变化，因而产生极强的吸收和发射，波数为 2=667 ，波长 2=15 m；第三种是反对 称振动，电偶极距也发生了变化，故也有强烈 的吸收和发射，波数为 3=2349 cm 1，波长 3=4.3 m。
• 吸收光谱与发射光谱是一致的
分子光谱
表 5.3 分子的能级跃迁与吸收线中心波数和波长 能级跃迁 能量差(eV) 吸收线中心波长0 电子跃迁Ee 1~20 0.062~1.24m 振动Ev 0.05~1 转动Er 104~0.05
• 玻尔的原子理论给出这样的原子图像：电子在一些特定的可能轨道上 绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必 须是 h/2π的整数倍决定；当电子在这些可能的轨道上运动时原子不 发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子 才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和 能量之间关系由 E＝hν给出。玻尔的理论成功地说明了原子的稳定 性和氢原子光谱线规律。 • 玻尔的理论大大扩展了量子论的影响，加速了量子论的发展。1915年， 德国物理学家索末菲（Arnold Sommerfeld，1868-1951）把玻尔的原 子理论推广到包括椭圆轨道，并考虑了电子的质量随其速度而变化的 狭义相对论效应，导出光谱的精细结构同实验相符。 • 1916年，爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）从玻尔的原子理 论出发用统计的方法分析了物质的吸收和发射辐射的过程，导出了普 朗克辐射定律。爱因斯坦的这一工作综合了量子论第一阶段的成就， 把普朗克、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体。
• -eV sign for DE indicates emission (+ eV for absorption) • Visible lines in H atom spectrum are called the BALMER series (里德博等式 )
• Ultra Violet Lyman • Infrared Paschen
Emission spectrum of H (cont.)
Light Bulb
Hydrogen Lamp
Quantized, not continuous
分子光谱
• 辐射频率f及波数与能量改变的关系是
f (Ee Ev Er ) / h f e f v f r
ຫໍສະໝຸດ Baidu
(Ee Ev Er ) / hc e v r
1.24 ~24.8m 24.8 ~12.4cm 403.2~0.8064
吸收线中心波数0(cm1) 161290~8064.5 8064.5~403.2
• 实际分子的转动跃迁常伴随着振动跃迁发生. • 在一个振动带内有许多转动谱线，而转动和振动 能量的变化又常伴随着电子能级跃迁.
• 使相应的谱带更呈现出复杂的带系结构.
• • •
The electron is not allowed a leisurely journey from one orbit to another It “jumps” instantaneously Also explains why some frequencies of light emitted by hydrogen are the sum of two other frequencies that are observed
分子光谱
• 气体分子或原子内的电子能级跃迁、原子和分子的 振动和转动等所发射和吸收的辐射谱是非连续性的， 构成原子的线光谱和分子的带光谱。 • 单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分子 内部总能量E由三部分组成 E = Ee + Ev + Er Ev：原子在其平衡位置附近振动的能量 Er：分子绕其质量中心转动的能量 （5.3.1）
第五章 地面和大气中的辐射过程
5.3 地球大气与辐射的相互作用
重点： • 吸收光谱、散射特征、布格定律 • 相关物理量
5.3.1 大气吸收的物理过程
吸收: 投射到介质上面的辐射能中的一部分被
转变为物质本身的内能或其它形式的能量.
大气中有各种气体成分及气溶胶粒子
对辐射具有选择吸收的特性
是分子和原子结构及其所处运动状态决定的。
Ee：绕原子核转动的外层电子的动能和静电位能
• • • •
An electron some distance from a nucleus has a particular value of potential energy Based on distance from the nucleus and the size of the electric field If you give the electron more energy, it gain potential energy and will move farther away from the nucleus!!! The opposite is also true. When an electron gives up energy to move closer, it will be emitted as a photon of light
分子光谱—举例
其吸收和发射谱由电子轨道跃迁造成，位于紫外
N2和O2分子：对称的电荷分布没有振动或转动谱。 和可见光辐射区。
•
H2O分子的原子呈三角形分布，是极性分子， 有三种振动方式。这三种振动过程都引起电偶 极距变化，产生吸收和发射，而转动和振动态 的结合使得水汽的吸收谱十分复杂。其中第一、 三种为伸缩振动，第二种是弯曲振动。 O3分子的原子也呈三角形分布，有三种振动方 式，其中9.6m的振动转动带比较重要。 CO2分子是以C原子为中心，O原子位于两侧 的线型对称分子，也有三种振动方式，但没有 转动带。 第一种方式是对称振动，因正、负电荷中心仍 然重合，不产生电偶极距变化，故不吸收和发 射辐射；第二种是弯曲振动，电偶极距发生了 变化，因而产生极强的吸收和发射，波数为 2=667 ，波长 2=15 m；第三种是反对 称振动，电偶极距也发生了变化，故也有强烈 的吸收和发射，波数为 3=2349 cm 1，波长 3=4.3 m。