多普勒谱线展宽.

2. 多普勒谱线展宽

谱线展宽主要有自然展宽、碰撞展宽和多普勒展宽。多普勒展宽直接于气体分子速度分布律有关，这一效应首先被里普奇（Lippich）在1870年提出，瑞利经过多年研究得到定量公式。下面就导出多普勒谱线型函数。

假设发出激光的原子静止时其发光频率为，当原子以vx的速度沿x轴向“接受器”运动时，由于多普勒效应使得“接受器”收到的频率为：

（14）

c

由于不同原子的vx不同，所以“接受器”收到的是不同频率的光，使得激光谱线以为中心被展宽。由麦克斯韦速度分量分布律可以得到，速度x分量在vx—的分子数比率为：

（15）

令代表其辐射频率落在附近单位频率间隔内的发光原子数比率，则有

与辐射强度成正比。将和代入（15）式，可得

式中就是多普勒展宽的线型函数。

下面看一个例子。

例1：试由来自星体的光谱线或多普勒宽度确定星体的温度。

解：静止原子由激发态回到基态发出的光波的频率决定于两个态的能级差：为普朗克常数。由于原子在运动，因而发射出来的光的频率不再是而是一个分布，也就是谱线增宽了。一个以速度v运动的原子，沿x轴发射的光的频率与及vx的关系为

，

式中c为光速。横向产生的多普勒效应比纵向小得多而可以忽略。由于在

之间的光强与速度分量在之间的原子数目dNX 成正比，即

dNx

由麦氏分布律

因而

上式表示原子发光的强度，由于多普勒效应引起的谱线强度按频率的分布，分布函数随频率变化的曲线如图1所示，

图1 原子光谱中谱线的多普勒加宽

它是对v0的一个对称分布曲线。物理上定义与谱线极大值I0的一半相对应的两个频率v2与v1之差称为谱线的宽度这里也称为多普勒线宽。由

解得

所以

2ln2kT)1/2 2mc

由上式可知，多普勒宽度与原子的质量m及原子所处系统的温度T有关。若由实验测得了来自星体原子光谱的多普勒宽度及原子的质量m就可知道星体的温度T：

原子吸收分光光度法基本原理

原子吸收分光光度法基本原理 一. 原子吸收光谱的产生及共振线 在一般情况下，原子处于能量最低状态（最稳定态），称为基态（E0= 0）。当原子吸收外界能量被激发时，其最外层电子可能跃迁到较高的不同能级上，原子的这种运动状态称为激发态。处于激发态的电子很不稳定，一般在极短的时间（10-8-10-7s）便跃回基态（或较低的激发态），此时，原子以电磁波的形式放出能量： (1) 图1 原子光谱的发射和吸收示意图 共振发射线：原子外层电子由第一激发态直接跃迁至基态所辐射的谱线称为共振发射线；

共振吸收线：原子外层电子从基态跃迁至第一激发态所吸收的一定波长的谱线称为共振吸收线； 共振线：共振发射线和共振吸收线都简称为共振线。 由于第一激发态与基态之间跃迁所需能量最低，最容易发生，大多数元素吸收也最强； 因为不同元素的原子结构和外层电子排布各不相同，所以“共 振线” 也就不同， 各有特征，又称“特征谱线”，选作“分析线”。 二. 原子吸收值与原子浓度的关系 （一）吸收线轮廓及变宽 图2 基态原子对光的吸收 若将一束不同频率，强度为I0 的平行光通 过厚度为1cm的原子蒸气时，一部分光被吸收，

(2) 透射光的强度Iν仍服从朗伯-比尔定律： 式中：Kν——基态原子对频率为的光的吸收系数，它是光源辐射频率的ν函数 由于外界条件及本身的影响，造成对原子吸收的微扰，使其吸收不可能仅仅对应于一条细线，即原子吸收线并不是一条严格的几何线（单色λ），而是具有一定的宽度、轮廓，即透射光的强度表现为一个相似于下图的频率分布： 图3 Iν与ν的关系 若用原子吸收系数Kν随ν变化的关系作图得到吸收系数轮廓图：

材料物理性质

谐振腔的初始光子来自增益介质中满足频率条件的自发辐射，自发辐射的光 子通过引起受激辐射和多次的反射传播使受激辐射形成链式增殖反应，实现光放 大，产生的激光最后由半反射镜输出。考虑到谐振腔反射镜的反射损耗，增益介 质的增益率必须高于谐振腔的损耗率，才能最终使谐振腔产生稳定的激光。设增 益介质的增益系数为G ，两反射镜的反射率分别为1R 和2R ，腔长为L ，光的初 始强度为0I ，则光束在谐振腔内往返一次后的强度为2012GL I I R R e =，谐振腔的增益要求为20120GL I I R R e I => 或 2121GL R R e >，由此获得产生激光的阈值或谐振腔的最小增益条件为12(12)ln(1)m G L R R =。 受各种因素的影响，由谐振腔输出的激光并非绝对的单色光，其频谱仍具有 一定宽度。导致激光频谱展宽的因素主要有： ①自然展宽 由于粒子处于激发态能级的寿命τ决定其相应辐射过程的持续时 间或相应辐射波列的长度，而有限的波列长度意味着该辐射波不再是绝对的单色 波，而是具有一定的频谱宽度，由此产生的频谱展宽为自然展宽，根据海森堡能 量-时间的不确定关系式 2E t ???≥h ，辐射光子的不确定能量εω?=?h ，时 间的不确定量取t τ?=，则辐射频谱自然展宽的量级约为21ωτ?≥。 ②碰撞（或压力）展宽 若增益介质中粒子数量较多或间距较小，粒子间易发 生相互碰撞，这种碰撞能促进粒子的跃迁，进而缩短其寿命，导致辐射谱线展宽。 对于高压下的气体介质，碰撞展宽尤为显著。 ③多普勒展宽 对于气体介质，粒子因热运动而产生多普勒频移，进而导致相 应辐射谱线展宽。 §7-2材料光学性能的物理本质和影响因素 一、材料的光学性能及其相互关系 在上节中，我们从波动性和粒子性两方面介绍了光或者电磁波的传播和与物 质相互作用的运动规律和性质。虽然涉及的内容比较庞杂，但在线性光学范围内， 无论何种光学性质，如光的传播速度、吸收或衰减、波阻、折射率、反射和透射 系数等，均可以采用相应介质的电磁性质，如介电系数、磁导率和电导率等，来 加以描述，从而使不同介质或物质具有不同的光学性质。通常情况下，材料的这 些电磁性质本身就是频率或波长的函数，因此，由它们表述的光学性质也应是频 率或波长的函数。在某些场合和条件下，材料的光学性质还需采用复变量和张量 的形式。除非特别声明，后续涉及的材料光学性质限定材料的状态是稳态、线性、 非铁磁性、各向同性和均匀的，当然，这些性能也是非线性、铁磁性、各向异性 和非均匀性材料光学性能的基础。

多普勒谱线展宽

2. 多普勒谱线展宽 谱线展宽主要有自然展宽、碰撞展宽和多普勒展宽。多普勒展宽直接于气体分子速度分布律有关，这一效应首先被里普奇（Lippich ）在1870年提出，瑞利经过多年研究得到定量公式。下面就导出多普勒谱线型函数。 假设发出激光的原子静止时其发光频率为0υ，当原子以x v 的速度沿x 轴向“接受器”运动时，由于多普勒效应使得“接受器”收到的频率为： ?? ? ??+≈-= c c x x υυυυυ1100 （14） 由于不同原子的x v 不同，所以“接受器”收到的是不同频率的光，使得激光谱线以0υ为中心被展宽。由麦克斯韦速度分量分布律可以得到，速度x 分量在x v — x x dv v +的分子数比率为： ()x kT mv x x M dv e kT m dv v f x 2212 2-??? ??=π （15） 令()υg 代表其辐射频率落在υ附近单位频率间隔内的发光原子数比率，则有 ()()x x M dv v f d g =υυ ()υg 与辐射强度()υI 成正比。将c v x 00υυυ-=和υυd c dv x 0=代入（15）式，可得 ()()()υπυυυυυυd e kT m c d g kT mc 20 2 0222--= 式中()υg 就是多普勒展宽的线型函数。 下面看一个例子。 例1：试由来自星体的光谱线或多普勒宽度确定星体的温度。 解： 静止原子由激发态回到基态发出的光波的频率0ν决定于两个态的能级差：E h ?=0ν,h 为普朗克常数。由于原子在运动，因而发射出来的光的频率不再是0ν而是一个分布，也就是谱线增宽了。一个以速度v 运动的原子，沿x 轴发射的光的频率ν与0ν及x v 的关系为 )1(0c v x -=νν， x v c =-)(00ννν 式中c 为光速。横向产生的多普勒效应比纵向小得多而可以忽略。由于在νννd +→之间的光强ννd I 与速度分量在x x x dv v v +→之间的原子数目X dN 成正比，即 x v CdN dv I =

光电子技术题目与答案

1) 色温是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度 2) 自发跃迁是指处于高能级的粒子自发地跃迁到低能级上。 受激跃迁是指由于外界辐射场作用而产生的粒子能级间的跃迁。3) 受激辐射下光谱线展宽的类型分为均匀展宽和非均匀展宽，其中 均匀展宽有自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽，非均匀展宽有多普勒展宽、残余应力展宽。 4) 常见的固体激光器有红宝石激光器、钕激光器、钛宝石激光器（写出两种）， 常见的气体激光器有He-Ne激光器、Ar激光器、CO2激光器（写出两种）。 5) 光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有 能量、动量和质量；其静止质量为零。 6) 激光与普通光源相比具有如下明显的特点：方向性好、单色性好、相干性好、强度大 7) 简述光子的基本特性。 答：1、光子能量E与光波频率v对应：E=hv 2、光子具有运动质量m，m=E/c2=hv/c2 3、光子的动量与单色平面波矢对应：P=?k 4、光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向 5、光子具有自旋性，并且自旋量子数为整数 1)声波在声光晶体中传播会引起晶体中的质点按声波规律在平衡位置振动，按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射，布喇格衍射两种类型。 2) 磁光效应是指外加磁场作用所引起的材料光学各项异性，法拉第磁光效应的规律（1）对于给定的介质，光振动面的旋转角与样品的长度和外加的磁感应强度成正比（2）光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换。 3) 电致折射率变化是指晶体介质的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体被施加电场后，将引起束缚电荷的重新分布，并导致离子晶格的微小型变，从而引起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率变化的现象。 4) 光纤色散的主要危害是使脉冲信号展宽，限制了光纤的宽带或传输容量，多模光纤的色散主要有模色散、材料色散、波导色散 1)光束调制按其调制的性质可分为调幅，调频，调相，强度调制。要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样、量化、编码。 2)光束扫描根据其应用的目的来可以分为模拟扫描、数字扫描两种；前者主要应用各种显示，后者主要应用于光存储。 3)在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个 /4波片，波片的轴向取向为快慢轴与晶体的主轴成45度角时最好。

仪器分析-光谱法总结

AES 原子发射光谱：原子的外层由高层能及向底层能级，能量以电磁辐射的形式发射出去， 这样就得到了发射光谱。原子发射一般是线状光谱。 原理：原子处于基态，通过电至激发，热至激发或者，光至激发等激发作用下，原子获得能 量，外层电子从基态跃迁到较高能态变成激发态，经过10-8s ，外层电子就从高能级向较低 能级或基态跃迁，多余能量的发射可得到一条光谱线。 光谱选择定律：①主量子数的变化△n 为包括零的整数，②△L=±1,即跃迁只能在S 项与P 项间，P 与S 或者D 间，D 到P 和F 。③△S=0，即不同多重性状间的迁移是不可能的。 ③△J=0，±1。但在J=0时，J=0的跃迁是允许的。 N 2S+1L J 影响谱线强度的主要因素：1激发电位2跃迁概率3 统计权重4激发温度（激发温度↑离子 ↑原子光谱↓离子光谱↑）5原子密度 原子发射光谱仪组成：激发光源，色散系统，检测系统， 激发光源：①火焰：2000到3000K ，只能激发激发电位低的原子：如碱性金属和碱土金属。 ② 直流电弧：4000到7000K ，优点：分析的灵敏度高，背景小，适合定量分析和低含量的 测定。缺点：不宜用于定量分析及低熔点元素的分析。 ③交流电弧：温度比直流高，离子线相对多，稳定性比直流高，操作安全，但灵敏度差 ④火花：一万K ，稳定性好，定量分析以及难测元素。每次放电时间间隔长，电极头温度低。 适合分析熔点低。缺点：灵敏度较差，背景大，不宜做痕量元素分析（金属，合金等组成均 匀的试样）⑤辉光 激发能力强，可以激发很难激发的元素，（非金属，卤素，一些气体）谱 线强度大，背景小，检出限低，稳定性好，准确度高（设备复杂，进样不方便）⑥电感耦合 等离子体10000K 基体效应小，检出限低，限行范围宽⑦激光 一万K ，适合珍贵样品 分光系统：单色器：入射狭缝，准直装置，色散装置，聚焦透镜，出射狭缝。 棱镜：分光原理：光的折射，由于不同的光有不同的折射率，所以分开。 光栅：光的折射与干涉的总效果，不同波长的光通过光栅作用各有不同的衍射角。 分辨率： 原子发射检测法：①目视法，②光电法， ③摄谱法：用感光板来记录光谱，感光板：载片（光学玻璃）和感光乳剂（精致卤化 银精致明胶）。 曝光量H=Et E 感光层接受的照度、 黑度：S=lgT -1=lg io/i io 为没有谱线的光强，i 通过谱线的光强度i ,透过率T 定性分析：铁光谱比较法，标样光谱比较法，波长测定法。 定量法：①基本原理②内标法 ⑴内标元素和被测元素有相近的物理化学性质，如沸点，熔 点近似，在激发光源中有相近的蒸发性。⑵内标元素和被测元素有相近的激发能，如果选用 离子线组成分析线对时，则不仅要求两线对的激发电位相等，还要求内标元素的电离电位相 近。⑶内标元素是外加的，样品中不应有内标元素，⑷内标元素的含量必须适量且固定，⑸ 汾西线和内标线无自吸或者自吸很小，且不受其他谱线干扰。⑹如采用照相法测量谱线强度， 则要求两条谱线的波长应尽量靠近。 简述内标法基本原理和为什么要使用内标法。 答：内标法是通过测量谱线相对强度进行定量分析的方法。通常在被测定元素的谱线中选一 条灵敏线作为分析线，在基体元素（或定量加入的其它元素）的谱线中选一条谱线为比较线， 又称为内标线。分析线与内标线的绝对强度的比值称为分析线对的相对强度。在工作条件相 对变化时，分析线对两谱线的绝对强度均有变化，但对分析线对的相对强度影响不大，因此 可准确地测定元素的含量。从光谱定量分析公式a c b I lg lg lg +=，可知谱线强度I 与元素 的浓度有关，还受到许多因素的影响，而内标法可消除工作条件变化等大部分因素带来的影 响。 激发电位：原子中某一外层电子由基态激发到高能级所需要的能量。共振线：由激发态像基 态跃迁所发射的谱线。（共振线具有最小电位，最容易被激发，最强谱线） 火花线：火法激发产生的谱线，激发能量大，产生的谱线主要是离子线。又称共振线。

卫化 名词解释

1.准确度测量值与被测组分真实在之间的接近程度 2.精确度对同一组分进行多次测定结果的分离程度 3.检出限某一特定的分析方法，在给定置信概率下，定性检出待测物质最小浓度 4.评价置信区间分析结果的真实值所在的范围及真实值在此范围内的概率 5.可疑数据/ 离群值对同一组分进行多次测定，某个测量值比其他测量值明显偏大偏小 6.标准曲线配置不同的标准系列，在同一实验条件下测定，横坐标物质浓度，纵坐标相 应信号强度 7.工作曲线测定生物材料样品，基体对待测组分影响大，采用与基体相同不含待测组分 的样品，加入待测组分标准液的方法绘制标准曲线 8.实验室认可权威机构对实验室及其人员进行特定类型检测,校准做出正式认证的程序， 是正式表明该实验室具备实施特定检测，校准能力的第三方证明 分子荧光 1.荧光：较高激发态分子经过无辐射跃迁降至第一电子激发态的最低振动能级，然后再以 光辐射的方式释放能量，返回基态 2.荧光效率：发射荧光的量子数与吸收激发光的量子数 3.激发光谱：固定荧光波长，改变激发光的波长，测定荧光强度的变化，激发光波长横坐 标，荧光强度为纵坐标 4.荧光强度：固定激发光波长和强度，测定不同荧光波长下的荧光强度，荧光波长横坐标， 荧光强度纵坐标 5.瑞利散射光：光子和物质发生碰撞时候，未发生能量交换，只是光子运动方向发生改变， 波长和激发光相同 6.拉曼散射光：光子与物质发生能量交换 原子吸收 1.共振线：原子外层电子从基态跃迁到第一电子激发态，产生的吸收线谱“共振吸收线” 从第一电子激发态返回基态，产生的发射线谱“共振发射线” 2.多普勒展宽：由原子无规则热运动引起的谱线展宽 3.压力展宽：被测原子与其他元素原子，分子碰撞引起的线谱展宽 4.峰值吸收：吸收线中心频率对应的峰值吸收系数 5.锐线光源：发射线与吸收线中心频率一致，但发射线半展宽要比吸收线窄得多的光源 6.原子化：将待测元素转换为能吸收特征辐射的基态原子蒸汽 7.半展宽：原子吸收谱线最大吸收系数一半，谱线上两点之间波长之差 8.释放剂：消除化学干扰的方法，与干扰组分结合生成稳定，难挥发的化合物，使得待 测元素释放出来 9.保护剂：与待测元素形成稳定的化合物，阻止待测元素与干扰物质形成稳定的，难挥发 的化合物。保护剂与待测元素形成的化合物在原子化条件下容易解离，原子化 10.电离干扰：高温条件下，原子会电离，使得基态原子减少，吸光度下降 11.化学干扰：待测元素和共存组分发现化学反应生成稳定化合物，从而降低原子化效率 12.背景吸收：来自原子化器连续光谱干扰，包括分子吸收，散射，折射，火焰气体吸收

光电子技术答案整理

第一章 1) 色温是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度 自发跃迁是指处于高能级的一个原子自发地向低能级跃迁，并发出一个光子的过程 受激跃迁是指处于高能级态的一个原子在一定的辐射场作用下跃迁至低能级态，并辐射出一个与入射光子全同的光子的过程。 2) 受激辐射下光谱线展宽的类型分为均匀展宽和非均匀展宽，其中均匀展宽有 自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽，非均匀展宽有 多普勒展宽与残余应力展宽。 3) 常见的固体激光器有 光泵激励，红宝石激光器，钕激光器，钛宝石激光器（写出两种）， 常见的气体激光器有He-Ne 激光器，Ar 离子激光器，CO2激光器，（写出两种）。 4) 光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有 能量 、 动量 和质量；其静止质量为 零 。 激光与普通光源相比具有如下明显的特点：方向性好、单色性好、相干性好，强度大。 5) 简述光子的基本特性。 光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动 量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间 的关系满足： (1)ων ==h E ； （2）22c h c E m ν==，光子具有运动质量，但静止质量为零； （3） k P =； （4）、光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向；（5）、光子具 有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子 6) 简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。 必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数。 充分条件：起振——阈值条件：激光在谐振腔内的增益要大于损耗。 稳定振荡条件——增益饱和效应（形成稳定激光）。 组成：工作物质、泵浦源、谐振腔。 作用：工作物质：在这种介质中可以实现粒子数反转。 泵浦源（激励源）：将粒子从低能级抽运到高能级态的装置。 谐振腔：(1) 使激光具有极好的方向性( 沿轴线) (2) 增强光放大作用( 延长了工作物质 ) (3) 使激光具有极好的单色性( 选频 ) 第二章 1) 声波在声光晶体中传播会引起晶体中的质点按声波规律在平衡位置振动，按照声波频率 的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可以分为 拉曼——纳斯衍射和布喇 格衍射 两种类型。 2) 磁光效应是指 外加磁场作用所引起的材料的光学各向异性成为磁光效应 ，法拉第磁 光效应的规律（1）对于给定的介质,光振动面的 旋转角与样品的长度和外加的磁感应强度 成正比 （2） 光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换

原子光谱的谱线宽度测量与分析

原子光谱的谱线宽度测量与分析引言： 原子光谱是研究物质性质和结构的重要手段之一。在原子光谱中，谱线宽度是 一个重要的参数，它反映了原子能级的寿命和能级间的相互作用。本文将介绍原子光谱的谱线宽度测量与分析的方法和意义。 一、谱线宽度的定义 谱线宽度是指谱线在频率或波长上的宽度范围。它由多种因素决定，包括自然 线宽、多普勒展宽、压力展宽和碰撞展宽等。自然线宽是由于不确定性原理导致的，它是原子能级寿命的量度。多普勒展宽是由于原子热运动引起的频率偏移，它与原子的速度有关。压力展宽是由于原子与周围分子碰撞引起的频率偏移，它与气体的压力有关。碰撞展宽是由于原子与其他原子或分子碰撞引起的频率偏移，它与碰撞概率有关。 二、谱线宽度测量的方法 1. 光学光谱法 光学光谱法是最常用的测量谱线宽度的方法之一。它利用光谱仪测量谱线的强 度分布，并通过拟合曲线来确定谱线的宽度。这种方法简单易行，适用于不同波长范围的谱线测量。 2. 激光光谱法 激光光谱法是一种高精度的谱线宽度测量方法。它利用激光器产生的窄线宽激 光与待测谱线进行干涉，通过干涉条纹的宽度来确定谱线的宽度。这种方法具有高分辨率和高灵敏度的特点，适用于对细微谱线的测量。 三、谱线宽度分析的意义

1. 能级寿命的研究 谱线宽度反映了原子能级的寿命，通过测量和分析谱线宽度可以研究原子能级 的寿命和能级间的跃迁过程。这对于理解原子的内部结构和相互作用具有重要意义。 2. 分子结构的研究 谱线宽度与分子的结构和动力学过程密切相关。通过测量和分析谱线宽度可以 研究分子的振动、转动和电子结构等性质，对于分子结构的研究具有重要意义。 3. 环境监测和物质分析 谱线宽度可以用于环境监测和物质分析。通过测量和分析谱线宽度可以确定物 质的成分和浓度，对于环境污染和物质检测具有重要意义。 四、谱线宽度测量与分析的挑战 谱线宽度测量与分析面临着一些挑战。首先，谱线宽度通常很小，需要高分辨 率的仪器和精确的测量方法。其次，谱线宽度受到多种因素的影响，需要准确地区分各种展宽机制。最后，谱线宽度的测量和分析需要对谱线的形状和背景进行修正，以提高测量的准确性和可靠性。 结论： 原子光谱的谱线宽度测量与分析是研究物质性质和结构的重要手段之一。通过 测量和分析谱线宽度，可以研究原子能级的寿命和能级间的相互作用，研究分子的结构和动力学过程，进行环境监测和物质分析。谱线宽度的测量与分析面临着一些挑战，需要高分辨率的仪器和精确的测量方法，准确地区分各种展宽机制，并进行谱线形状和背景的修正。通过不断改进测量技术和分析方法，我们可以更好地理解原子光谱的谱线宽度，推动原子光谱研究的发展。

光谱线展宽的物理机制

光谱线展宽的物理机制 摘要 本文首先介绍了原子光谱的形成和原子谱线的轮廓，以及用来定量描述谱线轮廓的三个物理量——谱线强度、中心频率和谱线半高宽。 接下来对光谱线展宽的各种物理机制作了定性或定量地分析。详细地推导了谱线的自然展宽、多普勒展宽（高斯展宽）和洛伦兹展宽的半高宽公式。并推导出了佛克脱半高宽、多普勒半高宽和洛伦兹半高宽之间的关系式。给出了赫鲁兹马克展宽（共振展宽）的半高宽公式。定性地分析了谱线的自吸展宽。以类氢离子为例说明了同位素效应引起的同位素展宽。定性地分析了原子的核自旋对谱线宽度的影响。说明了在有外电场或内部不均匀强电场存在的情况下谱线会产生斯塔克变宽，在有外磁场存在的情况下谱线会产生塞曼变宽。 最后对光谱线展宽的各种物理机制做了一个简单的总结，指出光谱线展宽的实质是光的频率发生了变化，各种新频率光的叠加导致了光谱线的展宽。并说明了对光谱线展宽的物理机制的研究，在提高光的单色性和物理量测量等方面具有重要的意义。 关键词：谱线展宽；物理机制；谱线轮廓；半高宽

THE PHYSICAL MECHANISM OF SPECTRAL LINE BROADENING ABSTRACT Firstly, we introduce the formation of atomic spectrum and the outline of atomic spectral line in this paper, as well as three physical quantities—intensity of spectral line, center frequency and half width of spectral line profile which are used to describe spectral line profile quantitatively. Next we analyze various physical mechanism of spectral line broadening qualitatively or quantitatively. The natural half width of spectral line, half width of Doppler spectral line profile (Gaussian spectral line profile) and half width of Lorentz spectral line profile are derived detailedly. And the relationship of half width of Voigt spectral line profile, half width of Doppler spectral line profile and half width of Lorentz spectral line profile is also derived detailedly. We introduce Holtsmark broadening (resonance broadening) and give half width of Holtsmark spectral line profile. It is introduced qualitatively how the Self-absorption broadening affects spectral line profile. Taking Hydrogenic ions for an example, we explain isotope broadening caused by Isotope effect. Spectral line broadening caused by nuclear spin is analyzed qualitatively. Stark effect can cause Stark broadening when there is external electric field or internal non-uniform strong electric field, and Zeeman effect can cause Zeeman broadening when there is external magnetic field. Finally, we make a summary on the physilcal mechanism of spectral line broadening, pointing out spectral line broadening is essentially a change in the frequency of spectral lines, and superposition of various spectral lines having a new frequency component leads to

多普勒谱线展宽

2. 多普勒谱线展宽 谱线展宽主要有自然展宽、碰撞展宽和多普勒展宽。多普勒展宽直接于气体分子速度分布律有关，这一效应首先被里普奇（Lippich ）在1870年提出，瑞利经过多年研究得到定量公式。下面就导出多普勒谱线型函数。 假设发出激光的原子静止时其发光频率为0υ，当原子以x v 的速度沿x 轴向“接受器”运动时，由于多普勒效应使得“接受器”收到的频率为： ⎪⎭ ⎫ ⎝⎛+≈-= c c x x υυυυυ1100 （14） 由于不同原子的x v 不同，所以“接受器”收到的是不同频率的光，使得激光谱线以0υ为中心被展宽。由麦克斯韦速度分量分布律可以得到，速度x 分量在x v — x x dv v +的分子数比率为： ()x kT mv x x M dv e kT m dv v f x 22122-⎪⎭ ⎫ ⎝⎛=π （15） 令()υg 代表其辐射频率落在υ附近单位频率间隔内的发光原子数比率，则有 ()()x x M dv v f d g =υυ ()υg 与辐射强度()υI 成正比。将c v x 00υυυ-=和υυd c dv x 0 =代入（15）式，可得 ()()()υπυυυυυυd e kT m c d g kT mc 20 2 0222--= 式中()υg 就是多普勒展宽的线型函数。 下面看一个例子。 例1：试由来自星体的光谱线或多普勒宽度确定星体的温度。 解： 静止原子由激发态回到基态发出的光波的频率0ν决定于两个态的能级差：E h ∆=0ν,h 为普朗克常数。由于原子在运动，因而发射出来的光的频率不再是0ν而是一个分布，也就是谱线增宽了。一个以速度v 运动的原子，沿x 轴发射的光的频率ν与0ν及x v 的关系为 )1(0c v x -=νν， x v c =-)(00ννν 式中c 为光速。横向产生的多普勒效应比纵向小得多而可以忽略。由于在νννd +→之间的光强ννd I 与速度分量在x x x dv v v +→之间的原子数目X dN 成正比，即 x v CdN dv I =

仪器分析光谱法总结

AES 原子发射光谱：原子的外层由高层能及向底层能级,能量以电磁辐射的形式发射出去, 这样就得到了发射光谱。原子发射一般是线状光谱。 原理：原子处于基态,通过电至激发,热至激发或者,光至激发等激发作用下,原子获得能量,外 层电子从基态跃迁到较高能态变成激发态,经过10-8s,外层电子就从高能级向较低能级或基 态跃迁,多余能量的发射可得到一条光谱线。 光谱选择定律：①主量子数的变化△n 为包括零的整数,②△L=±1,即跃迁只能在S 项与P 项间,P 与S 或者D 间,D 到P 和F 。③△S=0,即不同多重性状间的迁移是不可能的。 ③△J=0,±1。但在J=0时,J=0的跃迁是允许的。 N 2S+1L J 影响谱线强度的主要因素：1激发电位2跃迁概率3 统计权重4激发温度〔激发温度↑离子 ↑原子光谱↓离子光谱↑5原子密度 原子发射光谱仪组成：激发光源,色散系统,检测系统, 激发光源：①火焰：2000到3000K,只能激发激发电位低的原子：如碱性金属和碱土金属。 ② 直流电弧：4000到7000K,优点：分析的灵敏度高,背景小,适合定量分析和低含量的测定。 缺点：不宜用于定量分析及低熔点元素的分析。 ③交流电弧：温度比直流高,离子线相对多,稳定性比直流高,操作安全,但灵敏度差 ④火花：一万K,稳定性好,定量分析以及难测元素。每次放电时间间隔长,电极头温度低。 适合分析熔点低。缺点：灵敏度较差,背景大,不宜做痕量元素分析〔金属,合金等组成均匀的 试样⑤辉光 激发能力强,可以激发很难激发的元素,〔非金属,卤素,一些气体谱线强度大,背景 小,检出限低,稳定性好,准确度高〔设备复杂,进样不方便⑥电感耦合等离子体10000K 基体 效应小,检出限低,限行范围宽⑦激光 一万K,适合珍贵样品 分光系统：单色器：入射狭缝,准直装置,色散装置,聚焦透镜,出射狭缝。 棱镜：分光原理：光的折射,由于不同的光有不同的折射率,所以分开。 光栅：光的折射与干涉的总效果,不同波长的光通过光栅作用各有不同的衍射角。 分辨率： 原子发射检测法：①目视法,②光电法, ③摄谱法：用感光板来记录光谱,感光板：载片〔光学玻璃和感光乳剂〔精致卤化银精致明 胶。 曝光量H=Et E 感光层接受的照度、 黑度：S=lgT -1=lg io/i io 为没有谱线的光强,i 通过谱线的光强度i ,透过率T 定性分析：铁光谱比较法,标样光谱比较法,波长测定法。 定量法：①基本原理②内标法 ⑴内标元素和被测元素有相近的物理化学性质,如沸点,熔点 近似,在激发光源中有相近的蒸发性。⑵内标元素和被测元素有相近的激发能,如果选用离子 线组成分析线对时,则不仅要求两线对的激发电位相等,还要求内标元素的电离电位相近。⑶ 内标元素是外加的,样品中不应有内标元素,⑷内标元素的含量必须适量且固定,⑸汾西线和 内标线无自吸或者自吸很小,且不受其他谱线干扰。⑹如采用照相法测量谱线强度,则要求两 条谱线的波长应尽量靠近。 简述内标法基本原理和为什么要使用内标法。 答：内标法是通过测量谱线相对强度进行定量分析的方法。通常在被测定元素的谱线中选一 条灵敏线作为分析线,在基体元素〔或定量加入的其它元素的谱线中选一条谱线为比较线, 又称为内标线。分析线与内标线的绝对强度的比值称为分析线对的相对强度。在工作条件相 对变化时,分析线对两谱线的绝对强度均有变化,但对分析线对的相对强度影响不大,因此可 准确地测定元素的含量。从光谱定量分析公式a c b I lg lg lg +=,可知谱线强度I 与元素的 浓度有关,还受到许多因素的影响,而内标法可消除工作条件变化等大部分因素带来的影响。 激发电位：原子中某一外层电子由基态激发到高能级所需要的能量。共振线：由激发态像基 态跃迁所发射的谱线。〔共振线具有最小电位,最容易被激发,最强谱线 火花线：火法激发产生的谱线,激发能量大,产生的谱线主要是离子线。又称共振线。 自吸和自蚀：发光蒸汽云内,温度和原子密度不均匀,边缘温度较低,原子多处于较低能级当光

仪器分析-光谱法总结

仪器分析-光谱法总结

AES原子发射光谱：原子的外层由高层能及向底层能级，能量以电磁辐射的形式发射出去，这样就得到了发射光谱。原子发射一般是线状光谱。 原理：原子处于基态，通过电至激发，热至激发或者，光至激发等激发作用下，原子获得能量，外层电子从基态跃迁到较高能态变成激发态，经过10-8s，外层电子就从高能级向较低能级或基态跃迁，多余能量的发射可得到一条光谱线。 光谱选择定律：①主量子数的变化△n为包括零的整数，②△L=±1,即跃迁只能在S项与P项间，P与S或者D间，D到P和F。③△S=0，即不同多重性状间的迁移是不可能的。 ③△J=0，±1。但在J=0时，J=0的跃迁是允许的。N2S+1L J 影响谱线强度的主要因素：1激发电位2跃迁概率3 统计权重4激发温度（激发温度↑离子↑原子光谱↓离子光谱↑）5原子密度 原子发射光谱仪组成：激发光源，色散系统，检测系统， 激发光源：①火焰：2000到3000K，只能激发激发电位低的原子：如碱性金属和碱土金属。

②直流电弧：4000到7000K，优点：分析的灵敏度高，背景小，适合定量分析和低含量的测定。缺点：不宜用于定量分析及低熔点元素的分析。 ③交流电弧：温度比直流高，离子线相对多，稳定性比直流高，操作安全，但灵敏度差 ④火花：一万K，稳定性好，定量分析以及难测元素。每次放电时间间隔长，电极头温度低。 适合分析熔点低。缺点：灵敏度较差，背景大，不宜做痕量元素分析（金属，合金等组成均匀的试样）⑤辉光激发能力强，可以激发很难激发的元素，（非金属，卤素，一些气体）谱线强度大，背景小，检出限低，稳定性好，准确度高（设备复杂，进样不方便）⑥电感耦合等离子体10000K 基体效应小，检出限低，限行范围宽⑦激光一万K，适合珍贵样品 分光系统：单色器：入射狭缝，准直装置，色散装置，聚焦透镜，出射狭缝。 棱镜：分光原理：光的折射，由于不同的光有不同的折射率，所以分开。 光栅：光的折射与干涉的总效果，不同波长的光通过光栅作用各有不同的衍射角。 分辨率：

光电子技术题目与答案

光电子技术题目与答案 2) 自发跃迁是指处于高能级的粒子自发地跃迁到低能级上。 受激跃迁是指由于外界辐射场作用而产生的粒子能级间的跃迁。 3) 受激辐射下光谱线展宽的类型分为平均展宽和非平均展宽，其中 平均展宽有自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽，非平均展宽有多普勒展宽、残余应力展宽。 4) 常见的固体激光器有红宝石激光器、钕激光器、钛宝石激光器（写出两 种），常见的气体激光器有He-Ne激光器、Ar激光器、CO2激光器（写出两种）。 5) 光是一种以光速运动的光子流，光子和其它差不多粒子一样，具 有 能量、动量和质量；其静止质量为零。 6) 激光与一般光源相比具有如下明显的特点：方向性好、单色性好、相干性好、强度大 7) 简述光子的差不多特性。 答：1、光子能量E与光波频率v对应：E=hv 2、光子具有运动质量m，m=E/c2=hv/c2 3、光子的动量与单色平面波矢对应：P=ħk 4、光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向 5、光子具有自旋性，同时自旋量子数为整数 8) 简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。 答：必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数 充分条件：激光在谐振腔内的增益要大于损耗 稳固振荡条件：增益饱和效应 组成：工作物质、泵浦源、谐振腔 作用：工作物质：在这种介质中能够实现粒子数反转 泵浦源：将粒子从低能级抽运到高能级的装置 谐振腔：1、使激光具有极好的方向性 2、增强光放大作用 3、使激光具有极好的单色性

1) 声波在声光晶体中传播会引起晶体中的质点按声波规律在平稳位置振动，按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用能够分为 拉曼-纳斯衍射，布喇格衍射 两种类型。 2) 磁光效应是指 外加磁场作用所引起的材料光学各项异性 ，法拉第磁光效应的规律（1） 关于给定的介质，光振动面的旋转角与样品的长度和外加的磁感应强度成正比 （2） 光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换 。 3) 电致折射率变化是指 晶体介质的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体被施加电场后，将引起束缚电荷的重新分布，并导致离子晶格的微小型变，从而引起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率变化的现象 。 4) 光纤色散的要紧危害是 使脉冲信号展宽，限制了光纤的宽带或传输容量，多模光纤的色散要紧有 模色散、材料色散、波导色散 5) 声光相互作用能够分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。简述它们产生的条件和特点。 答：拉曼-纳斯衍射：声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光相互作用长度较短时，声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。由出射波阵面上各子波源发出的次波发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光。 布拉格衍射：声波频率较高，声光作用长度较大，光束与声波波面间以一定的角度入射，介质具有“体光栅”的性质。衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只显现0级和+1级（或-1级）衍射光。 6) 何为电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的那些参数决定？ 答：当光波的两个垂直重量Ex ’、Ey ’的光程差为半个波长时所需要加的电压，称为半波电压。63302r n V λπ= ，由波长，0光折射率，电光系数共同 决定 1) 光束调制按其调制的性质可分为 调幅，调频，调相，强度调制。要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样、量化、编码。

光电子课后习题答案讲解

第一章 1. 光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？ 光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件、光显示器件。 光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光器和非线性光学器件等。非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。 光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。 光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。 光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器等。 光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驱、光盘塔等。 光显示器件包括CRT、液晶显示器、等离子显示器、LED显示。 2．谈谈你对光电子技术的理解。 光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。 ⒌据你了解，继阴极射线管显示（CRT）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？ 等离子体显示（PDP），液晶显示（LCD），场致发射显示（EL），LED显示。

第二章：光学基础知识与光场传播规律 ⒈ 填空题 ⑴ 光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效应等；光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。 ⑵ 两束光相干的条件是频率相同、振动方向相同、相位差恒定；最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪；两束光相长干涉的条件是(0,1,2,)m m δλ==±±，δ为光程差。 ⑶两列同频平面简谐波振幅分别为01E 、02E ，位相差为φ，则其干涉光强为 22010201022cos E E E E φ++，两列波干涉相长的条件为2(0,1,2,)m m φπ==±± ⑷波长λ的光经过孔径D 的小孔在焦距f 处的衍射爱里斑半径为1.22f D λ 。 ⒉ 在玻璃( 2.25,1)r r εμ==上涂一种透明的介质膜以消除红外线(0.75)m λμ=的反射。 ⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。 ⑵如紫外线(0.42)m λμ=垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？ ⑴玻璃的折射率 1.5n == ，正入射时，当n = 作用，所以 1.225n ===，正入射下相应的薄膜厚度最薄为 0.750.15344 1.225 h m n λμ===⨯ ⑵正入射时，反射率为 2222 00002222000022()cos ( )sin 22()cos ()sin G G G G n n nh nh n n n n n n nh nh n n n n ππλλρππλλ-+-=+++正 2200222200002()cos 3.57%22()cos ()sin G G G nh n n n n nh nh n n n n πλππλλ-= =+++