光与物质的相互作用

棱镜折射率与顶角 和最小偏向角 关系
sin



2 2

n
sin
测得不同波长的光线通过棱镜的最小偏向角，可以按 照上式计算出棱镜对不同波长的光的折射率，从而可绘 出棱镜的色散曲线（即折射率n与波长的关系曲线）。
二、正常色散
曲线特点： 波长越短，折 射率n越大；
波长 越短，色 散率 越大；
钠原子吸收光谱
原子吸收光谱的应用
探测太阳的元素构成
太阳光谱是典型的暗线吸收光谱，在其连续光谱的背 景上呈现有一条条的暗线，称为夫琅禾费谱线。这些谱线 是处于较低温度的太阳大气中的原子，对更加炽热的内核 发射的连续光谱进行选择吸收的结果。将这些吸收谱线的 波长，与地球上已知物质的原子发射光谱进行比较，发现 太阳表面层中主要包含有氢、氦，还有钠、氧、铁和钙等 60多种元素。氦元素首先就是在太阳光谱中发现的。 原子吸收光谱的灵敏度很高，混合物或化合物中原子 含量极少的变化，都会在光谱中反映出吸收系数很大的改 变。历史上，曾靠这种方法发现了铯、铷、铊、铟和镓等 多种元素。
光与物质的相互作用
目录
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 发光的物理机制 激光原理及其应用举例 光的吸收 吸收光谱 光的色射 光的散射
§第一节 发光的物理机制
一、发光的物理机制 发射光谱
光源 发射光波的物体。如太阳、蜡烛等。光源发出的光 是其中大量的分子或原子的运动状态发生变化时所辐射出 的电磁波。 发光的物理机理 电子沿着一个个分立的轨道绕核 旋转，当电子在确定的轨道上运动 时，原子具有确定的能量。 电子从一个轨道跃迁到另一个轨道， 原子或分子就从一个能态跃变到另一能 态，同时伴随着能量的变化。 电子在不同轨道之间跃变，原子向外释放或吸收能量。
如果不把光局限于可见光范围以内，可以说一切物质都具 有一般吸收和选择吸收两种特性。 选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因。
二、朗伯定律
朗伯定律
比尔定律
I I-dI
称为吸收系数，“－”号
表示随 x 增加 I 减小。 将上式积分：
I I0
dI d x I
I0
dx
I
x
l
dI l 0 dx I ln I ln I 0 l
原子吸收光谱在化学的定量分析中 有广泛的应用
带状吸收光谱用来定性鉴定或定量测定有 机化合物，研究分子力和分子结构。 分子气体、液体和固体一般在红外波段有 选择吸收，吸收谱线密集地组成带状，形成带状 吸收光谱。 不同的分子有其显著不同的红外吸收光谱， 即使是分子量相同且其他物理化学性质也基本相 同的同质异构体，它们的红外吸收光谱也明显不 同。
比尔定律 比尔定律是朗伯定律在溶液情形下的应用。 稀溶液的吸收系数与溶液浓度有关，即 朗伯定律可变为：
1C
是一个与浓度无关的常数，它表征了吸收物质的 分子特性，C 为溶液的浓度。
1
I I0e
1 Cl （比尔定律的数学表达式）
I0 A 1n 1Cl I
吸收度A与浓度 C 呈线性关系
实际测量中观察到吸收度与浓度关系偏离线性的情况，说明 比尔定律的成立是有条件的。 比尔定律只在溶质分子的吸收本领不受它周围邻近 分子的影响时才成立。 光的反射、散射、温度、时间、压力等都会对比 尔定律产生影响 。 朗伯定律始终成立，但比尔定律有时不一定成立。
三、吸收光谱
当一束复色光透过一定厚度的介质时，利用介质对光 的吸收作用因波长而异，可产生吸收光谱。 产生连续光谱的光源所发的光，通过具有选择吸收特 性的物质后，用光谱仪可以观察到，在连续的发射光 谱中，呈现出与发生吸收的波长区域相对应的一些暗 线或暗带，这就是吸收光谱。 光源 单色仪 样品室
激光与生物医学
激光生物医学
临床治疗 医学测量和诊断 显微外科手术 激光多普勒流速计可以用 非接触地法测量血流速度；激 光流式细胞计技术能对大量细 胞的多项指标进行快速测定； 激光光谱分析法大大提高了分 辨率、灵敏度；激光全息、激 光透照等有独特的检查效果。 激光手术刀、治疗视网膜 裂孔、眼底病变、矫正屈光不 正，清除血管堵塞物，激光结 合光敏药物治疗恶性肿瘤，激 光美容等。
泵浦源


全反射镜
光学谐振腔
激光
部分反射镜
使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、 其它频率的辐射受到抑制的装置
三、激光的应用举例
物理 光谱
相干控制 激光冷却 光学信 号处理 标准确定 时间同步
激光催化 化学
微量元 素检测
飞秒化学
激光 激光视 力测试
通讯技术 技术 材料加工
激光美容
激光手术 生命科 学
受激辐射不仅实现了光放大， 而且产生的是相干光。
产生激光的基本条件
根据玻尔兹曼分布律,热平衡时 具有能量Ei的原子数
E2
N i Ae
N2 e N1
E i / kT
E!
在能级E1和E2的原子数之比
E 2 E1 kT
在能级E1-E2的=1eV,T=300K, 则原子数之比约为10-40.
§第四节 光的色散
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一、色散率
光在物质中传播时，其速度将比真空中小，而 且不同频率的光在同一物质中的传播速度不同。因 此，物质的折射率随光的波长的不同而改变，这一 现象称为色散。色散现象也是光和物质相互作用的 结果 。 对于给定的介质而言，折射率n是波长的函数，即 n＝n() 色散率
dn d
（光能减弱）
散射 (scattering)现象
(部分光波沿其它方向传播)
吸收 (absorption)现象
(光能转换成其它形式的能量)
一、光吸收的类型
一般吸收（ general absorption ） 在给定的波段范围内，若介质对光的吸收很少，而且光 吸收量与波长无关。在可见光范围内，一般吸收意味着光 通过介质后不改变颜色而只改变强度。 选择吸收（selective absorption ） 在给定的波段范围内，媒质吸收某种波长的光能比较显 著。在可见光范围内，选择吸收意味着光通过介质后既改 变颜色也改变强度。
原子或分子的发光过程是彼此独 立的、随机的 光源发出的连续光波实际上是大 量原子或分子发光的总效果。
波列长 L = c
相互独立的波列
注：
. .
原子发射光谱
非相干（不同原子发出的光） 非相干（同一原子先后发出的光）
发射光谱
铁和其他元素的原子发射光谱图（上为铁谱，下为其他元素光谱）
原子的发射光谱是线状光谱 每种原子有其独特的发射光谱——识别不同原子的标志 分子发射光谱 若干光谱带组成的带状光谱 分子能级结构非常复杂 分子的能量
计算机输 出装置
放大仪
紫外－可见光分光光度计原理图
检测仪
若用原子化装置代替样品室，就可得到某元素的原子吸 收光谱。所谓原子化就是使待测样品中的原子达到雾化状态， 并保证雾化原子处于基态。这样一旦有外来光照，原子便可 吸收外来光，产生吸收光谱。 每种元素都有其特征吸收波长和吸收光谱 原子吸收光谱广泛应用于定量分析中 对于气体、液体和固体 而言，一般在红外区有 选择吸收。吸收谱线宽 度增大且组成连续谱带， 称为带状光谱。红外光 谱分析常用于科学研究 及生产实践中。
激光聚焦照射并摧毁活细胞体内 的某个区域；激光诱导细胞融合；激光 裁剪DNA生物大分子等。
激光与生物医学
激光美容
激 光 矫 正 近 视
激光手术
§第三节 光的吸收 吸收光谱
当光波在媒质中传播时，由于光波和物质的相互作用， 一般呈现两种效应 折射和双折射现象（速度减慢） 光波和物质作 用的两种效应 消光现象
自发辐射 受激吸收 受激辐射
§第二节 激光原理及其应用举例
激光的特点：

亮度高 单色性好 方向性好 相干性高
一、激光原理 原子发光的三种跃迁过程(方式)
E2
h E! h
E2
h E!
E2
h h
E!
发光前
发光后
吸收前
吸收后
发光前
发光后
自发辐射
受激吸收
（原子的光激发）
受激辐射
（光放大）
r1 r2
E
n= 布拉开系 帕邢系 巴耳末系
n=6 n=5 n=4
n=3 n = 3
n=2
n=2
赖曼系 原子的不同能态用一个个分立的能级表示
n=1
n=1
原子从一个定态跃迁到另一定态， 会发射或吸收一个光子，频率
En
| Ek En | h
辐射频率公式
Ek

每一个辐射光子称作一个波列
每个波列持续时间约10-8s
三能级系统
E
3
激发态 无辐射跃迁 E 亚稳态 泵 2 浦
基态
非热平衡
E!
E
原子激发的几种基本方式： 1．气体放电激发 2．原子间碰撞激发 3．光激发(光泵)
4
激发态 无辐射跃迁 E 亚稳态 泵 3 浦 E
基态
2
E!
四能级系统
实现粒子数反转! 必须采取特殊办法 非热平衡
He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现
E2
h
● ●
●
N2 N1
E2 E1
● ● ● ● ●
h
●
N2 N1
E1
●● ●●● ●
●
●
N1 > N2 ,吸收为主
N2 >N1 , 受激辐射为主
受激辐射、吸收几率与对应原子数成正比 热平衡时，高能级上原子数目极少, 吸收比受激辐射多
只有 粒子数反转 N2 >N1才能受激比吸收多，光放大 实现粒子数反转! 必须采取特殊办法 非热平衡
E E e EV E R
能级间隔满足
分子光谱
E e EV E R
分子的转动能级间的跃迁发出远红外辐射；振动能级 间的跃迁发出中红外辐射；而电子能级间的跃迁发出 可见光和紫外辐射。
二、发光过程的类型
按照激发方式分类 热辐射 太阳、白炽灯等
电致发光 闪电、霓虹灯以及半导体、PN结的发光过程等 光致发光 日光灯、荧光、磷光等 化学发光 燃烧发光、生物发光等 按照辐射方式分类
波长 很长时，折 射率n趋于定值； 不同物质的色散曲线没 有简单的相似关系。
几种材料的色散曲线
具有以上特点的色散称为正常色散 。
科希于1836年给出了正常色散的折射率与波长的函数关系：
n A
B

2

C
4
式中 为真空中的波长，A、B、C 为取决于介质性质的 常量，其数值可由实验测定。 当波长变化范围不大时，上式可简化为
I I 0e
l
（朗伯定律的数学形式）
引入透光率 T 和吸收度 A ，并定义
I0 1 A 1n 1n T I ，上式表示为
I T I0
，
I l T e I0
I0 A 1n l I
实验表明，在光强变化相当大的范围（约1020倍） 内，透射光强度满足朗伯定律的数学形式。因此，朗伯 定律适用于光强变化相当大的场合。
《物理评论聚焦》2008年22卷8月1日
飞秒激光诱导令石墨转变为金刚石结构
小零件
紫外光固化 快速成型 2010，获得国家科 技进步一等奖
激光等离子体应用－激光推进
运行中的光船。所见亮光是在飞 行器边缘下方燃烧的空气。 当激光器发射脉冲时，会不断加热空气 直至燃烧。空气燃烧会产生闪光
2010年新一期英国《自然—光子学》（Nature Photonics）杂志刊登报告说， 瑞士等国研究人员向空气中发射一种高能量短脉冲激光，它会使照射路径上的 氮气分子和氧气分子离子化。这些离子化的空气分子就成为天然的凝结核，促 使水蒸气凝结为水滴。
介质的色散率
B n A 2
dn 2B 3 d
上式表明dn/d <0（常数B始终为正），并且色散率的数 值随波长的增加而减小，与实验测得的正常色散曲线相符。
三、反常色散
1862年，勒鲁用碘蒸气充满三棱柱形容器研究光的折 射现象，观察到紫光的折射率比红光的小，因这一现象 与正常色散相反，勒鲁称其为反常色散。 反常色散总是发生在物质的选择吸收带。（孔脱）
牙科应用
激 光 与 物 质 相 互 是作 激用 光 应 用 的 重 要 基 础 .
激光升温与相变应用
钢轨激光表面强化
轧辊激光表面相变硬化
激光照射材料
奥氏体转变
材料反射与吸收 快速冷却
温度快速升高
马氏体转变
激光气化应用
激光照射材料 材料熔化气化
材料反射与吸收
温度快速升高
激光烧蚀
材料去除
激光化学与立体光造型
21s
碰撞 电子 23s
亚稳态
3s 2s 3p 2p 碰撞
He
Ne
电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的 He 与
Ne 碰撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态（3s、2s）和 激发态（3p、2p）之间形成反转分布。
二、 激光器的三个基本组成部分：
工作介质、泵浦源、光学谐振腔
光束在谐振腔内来回震 荡，在工作物质中的传播 使光得以放大，并输出激 光。