2第二章电磁辐射与材料的相互作用

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1、第二章　电磁辐射与材料的相互作用第—节概述电磁辐射与材料相互作用，产生辐射的吸收、发射、光电离、散射等，是材料现代分析方法的主要技术基础．一、辐射的吸收与发射1．辐射的吸收与吸收光谱辐射的吸收是指辐射通过物质时，其中某些频率的辐射被组成物质的粒子(原子、离子或分子等)选择性地吸收从而使辐射强度减弱的现象．E2与E1——高能级与低能级能量特征光谱的产生原理：辐射(能量)被吸收的程度与频率和波长的关系(曲线)即辐射被吸收程度对频率和波长的分布称为吸收光谱．不同物质粒子的能态(能级结构、能量大小等)各不相同，故对辐射的吸收也不相同，从而具有表明各自特征的不同吸收光谱．2．辐射的发射与发

2、射光谱辐射的发射是指物质吸收能量后产生电磁辐射的现象。辐射发射的实质在于辐射跃迁，即当物质的粒子吸收能量被激发至高能态(E2)后，瞬间返回基态或低能态(E1)，多余的能量以电磁辐射的形式释放出来．发射的电磁辐射频率取决于辐射前后两个能级的能量(E2与E1)之差，即辐射的发射，前提是使物质吸收能量即激发。使物质激发的方式很多，可分为两类：非电磁辐射激发(非光激发)和电磁辐射激发(光激发)．非电磁辐射激发又有热激发与电激发等多种方式．电磁辐射激发又称为光致发光，作为激发源的辐射光子称一次光子，而物质微粒受激后辐射跃迁发射的光子(二次光子)称为荧光或磷光。吸收一次光子与发射二次光子之间

3、延误时间很短(10-8E一10-4Es)则称为荧光；延误时间较长(10—4E一10s)则称为磷光．物质粒子发射辐射的强度(能量)频率和波长的分布称为发射光谱；光致发光谱，则称为荧光或磷光光谱．不同物质检于也具有各自的特征发射光谱．3．光谱的分类按辐射与物质相互作用性质，光谱分为吸收光谱、发射光谱与散射光谱(拉曼散射谱)吸收光谱与发射光谱按发生作用的物质微粒不同可分为原子光谱和分子光谱等．由于吸收光谱与发射光谱的波长与物质微粒辐射跃迁的能级能量差相应，而物质微粒能级跃迁的类型不同，能级差的范围也不同，因而吸收或发射光谱波长范围(谱域)不同．据此，吸收或发射光谱又可分为红外、紫外、可

4、见光谱，x射线谱等．光谱的另外分类方法：光谱按强度对波长的分布(曲线)特点(或按胶片记录的光谱表现形态)可分为线光谱、带光谱和连续光谱3类。连续光谱表现为强度对波长连续分布，即各种波长的光都有，连续不断，连续光谱是非特征光谱即不含有物质的特征信息，构成线状或带状光谱的背景，在材料光谱分析工作中造成遮盖特征谱线、干扰分析的不利影响．在分析工作中一般应注意尽可能减弱其强度或对其进行扣除．线光谱表现为在某些特定波长的位置有强度很高的谱线。带光谱则表现为多条波长相近的谱线形成的谱带(不同谱线的波长如此接近，以至这些谱线形成难于分辨的—条“宽线”即谱带)．线状光谱与带状光谱都是含有物质特征

5、信息的光谱是材料光谱分析工作的技术依据．二、辐射的散射辐射的散射指电磁辐射(与物质发生相互作用)部分偏离原入射方向而分散传播的现象．物质中与入射的辐射即入射线相互作用而致其散射的基本单元可称散射基元．散射基元是实物粒子，可能是分子、原子中的电子等。1．分子散射分子散射是入射线与线度即尺寸大小远小于其波长的分子或分子聚集体相互作用而产生的散射．分子散射包括瑞利散射与拉曼散射两种。瑞利散射是指入射线光子与分子发生弹性碰撞作用，仅光子运动方向改变而没有能量变化的散射．瑞利散射线与入射线同波长．拉曼散射是指入射线(单色光)光子与分子发生非弹性碰撞作用，在光子运动方向改变的同时有能量增加或

6、损失的散射．拉曼散射线与入射线波长稍有不同，波长短于入射线者称为反斯托克斯线，反之则称为斯托克斯线．在光谱上斯托克斯线和反斯托克斯线出现在入射光谱线附近，称为拉曼散射谱．拉曼散射产生的实质：在于入射光子与分子作用时分子的振动能级或转动能级跃迁，因而拉曼散射谱谱线的多少、强度与波长等均与分子的能级结构、性质等密切相关．拉曼散射谱也是含有物质特征信息的光谱。2．晶体中的电子散射x射线等谱域的辐射照射晶体，电子是散射基元．晶体中的电子散射包括相干散射与非相干散射两种．相干散射是指入射线光子与原子内受核束缚较紧的电子(如内层电产)发生弹性碰撞作用，仅其运动方向改变而没有能量改变的散射．相

7、干散射又称为弹性散射．因为汤姆逊首先用经典电动力学方法研究相干散射现象，故又称其为经典散射或汤姆逊散射．按汤姆逊的工作，一个电子对一束强度为I的偏振化的入射线散射波的强度Ie为e与M——电子电荷与质量；c——光速；R——散射线上任意点(观测点)与电子的距离φ——散射线方向与入射线的夹角．非相干散射是指入射线光子与原子内受束缚较弱的电子(如外层电子)或晶体中自由电子发生非弹性碰撞作用，在光子运动方向改变的同时有能量损失的散射，又称为非弹性散射．电子对入射光子的非相干散射现象是由康普