第十三章 知识就是力量

第十三章 光谱 激光和X 射线

通过复习后，应该:

1.掌握激光的特点、激光产生的原理、X 射线的基本性质、X 射线的发生、X 射线强度和硬度、X 射线谱、物质对X 射线的吸收规律;

2.理解原子光谱、分子光谱、X 射线的衍射、X 射线的透视和照相;

3.了解拉曼散射光谱、X 光刀、X-CT 断层扫描成像、数字减影血管造影技术。

13-1 原子发射光谱和吸收光谱各是怎样产生的?为什么吸收光谱中的谱线通常远少于发射光谱中的谱线? 答：原子发射光谱是由大量同类原子从较高能级跃迁到较低能级时发射光子所形成的。在黑暗的背景中产生若干条明亮的谱线称为原子发射光谱，又叫明线光谱。

原子吸收光谱是由价电子吸收一个光子后被激发到高能级所形成的。具有连续光谱的白炽灯光从气体或蒸汽中通过时，在光子被大量吸收的波长处形成一系列的暗线组成原子吸收光谱，又叫暗线光谱。

同种元素的暗线光谱的波长与明线光谱相同，因为它们是在同一种原子的两个能级之间跃迁产生的。但是，暗线光谱中的谱线通常远少于明线光谱的谱线，这是因为原子通常处于基态，在暗线光谱中一般只有从基态跃迁到激发态的谱线，而没有各激发态之间跃迁产生的谱线。

13-2 要把氦离子从n = 1 态激发到 n = 2 态需要约 41 eV 的能量，但把氦原子的一个电子从 n = 1 态激发到 n = 2 态却只要 21 eV 的能量，试解释其原因。

答：在氦原子中有两个核外电子，其价电子由于受到另一个电子的屏蔽，它基本上只受到原子核的一个正电荷+e 的作用。而在氦离子中则只有一个电子，它受到原子核的两个正电荷+2e 的作用，其大小约为原子情况的两倍，所以同样是从n=1态激发到n=2态，所需要的能量约是原子时的2倍（原子为21eV ，离子则为41eV ）。

13-3 分子中有哪几种能级？能级之间的能量差哪种最大？哪种最小？ 答: 分子中有三种能级:电子能级、振动能级和转动能级。其中电子能级之间的能量差最大，而转动能级之间的能量差最小。

13-4 分子光谱有什么特点？它是怎样产生的？ 答: 分子光谱是一种带状光谱，其特点是由许多密集的谱线组成一个光谱带，若干个带形成一个带组，整个分子光谱由若干个带组构成。

分子带状光谱是由分子内部复杂的运动状态所产生。分子的能量状态决定于电子能级、振动能级和转动能级。

其中转动能级之间的能量差最小，大约相当于微波或远红外线的光子能量；振动能级之间的能量差较大，约相当于红外线的光子能量。电子能级之间能量差最大，相当于可见光到紫外线的光子能量。每个光子的能量△E 决定于分子的电子能级、振动能级、转动能级的初态和末态之能量差e E ∆、v E ∆ 、j E ∆。当e E ∆、v E ∆不变，而j E ∆改变时，即不同的转动能级之间跃迁，形成一组谱线构成一个带；当e E ∆不变，v E ∆、j E ∆改变时产生若干个带；

如果e E ∆、v E ∆、j E ∆改变，可得到若干个带组，这样就形成了分子的带状光谱。

13-5 什么叫拉曼散射？它是怎样形成的？为什么拉曼散射光谱中反斯托克司线弱于斯托克司线？

答: 当光通过均匀透明物质时，总会发生微弱的散射，在散射光谱中除了与入射光谱相同的谱线外，还有一些频率稍有差别的极微弱的谱线，这些散射称为拉曼散射。

在光的散射过程中，分子吸收并又立即发射光子，在这个作用过程中大多数分子仍回到原来的能级，这时发射光子的能量不变，与被吸收光子能量相同，但进行的方向、偏振方向、位相发生了变化，这叫瑞利散射。但有些分子吸收光子的能量后，跃迁回到比原来较高的振动能级，发射光子的能量减少了，波长变长了，这就形成了拉曼散射的斯托克司线。还有一些分子原来处在较高的振动能级，吸收光子能量后，跃迁回到比原来较低的能级，发射光子的能量增加了，波长变短了，这就得到拉曼散射的反斯托克司线。由于振动能级较高的分子总是少于能级较低的分子，所以反斯托克司线弱于斯托克司线。

13-6 激光是一种什么样的光？它有哪些特点？

答: 激光是由受激辐射而获得的相干光。它具方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点。

13-7 解释下列名词：（1）自发辐射，（2）受激辐射，（3）粒子数反转分布。

答: ①自发辐射：处于较高能级的粒子，自动地跃迁到较低能级而发射出一个光子，这种辐射叫自发辐射。

②受激辐射：如果有一能量恰好等于k n E E -的外来光子趋近处于激发能级n E 的原子，这个原子可能受到外来光子的扰动，从较高能级n E 向较低能级K E 跃迁而辐射光子，这种辐射叫受激辐射。这种辐射所产生的光子与外来光子具有完全相同的特征，即它们的频率、位相、振动方向、传播方向都相同。可见受激辐射具有光放大作用。

③粒子数反转分布:在通常情况下，物质中的原子处于低能级的数量较多，如果通过某种方式，使得处于高能级的原子数目远多于低能级的原子数目，这种情况称为粒子数反转分布。

13-8 激光是怎样产生的？

答: 工作物质、泵浦源和光学谐振腔是产生激光的三大要素。将具有亚稳态能级的工作物质置于光学谐振腔内，通过泵浦源将工作物质的原子激发到较高能级的激发态，在很短的时间内，原子从较高能级的激发态过渡到亚稳态，使亚稳态的粒子数目大大增加，从而在亚稳态与基态（或比亚稳态更低的能级）之间实现粒子数反转分布。如果处于亚稳态能级的某个原子自发跃迁到低能级而辐射出光子，且沿着光学谐振腔轴线方向在腔内传播，它作为扰动光子在途中使处于亚稳态的原子发生受激辐射，产生一个特性完全相同的新光子，这两个光子继续沿轴线方向运动，使其他处于亚稳态的原子产生受激辐射，使光子数进一步增加。光子在光学谐振腔内来回传播形成光振荡使光强不断加强，部分光子从部分反射端面射出形成激光束。

13-9 某一原子具有如下的能态：- 13.2 eV （基态），- 11.1 eV ，- 10.6 eV ，- 9.8 eV ，其中只有- 11.1eV 能态有激光作用，- 10.6eV 能态主要是向 - 11.1eV 态跃迁，- 9.8eV 主