第一章 光谱学基础

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1、第一章光谱学基础第一节电磁辐射一、电磁波1865年，麦克斯韦建立了著名的电磁场方程组—麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在，并把光波也包括进电磁场方程。1888年，赫兹通过实验不仅证明了电磁波的存在，而且证实电磁波具有光波的各种物理性质，从而论证了光波与电磁波的同一性。光波与无线电波、微波、X射线、γ射线�E等一样，都是以光速在空间传播的电磁振动，如图1．1所示，电磁��H振动中的电场强度E�和磁场强度H相互垂图1.1电磁波示意图直，并与传播方向构成右手螺旋关系。一束沿z方向传播的单色平面波，它们可以写为ikz(−ωt)ikz(−ωt)Ezt(,)=Ee,(,)Hzt=He

2、（1.1）00其中E0，H0分别为电场与磁场的振幅，ω=2πν为角频率，ν为振荡频率，电磁波在介质�中的波长是λ，它与真空中波长λ0的关系为λ＝λ0／n，n为介质的折射率，k称为波矢量。有时电磁振荡用波数ν̃表示，ν̃=1/λ，各量间的关系为�2πλν=c,k=（1.2）0λc为电磁波在真空中的传播速度，c＝299729458m/s。�在光与物质相互作用中，包括人眼对光的感受，主要是电场E的作用，所以常把电场��E的振动方向定义为光的偏振方向，把电场E称为光矢量。电磁场具有能量。对平面单色波，电磁场的能量密度为12222w=w+w=(εE+µH)=εεE=µµHem0r0

3、r2式中用到了电磁波的性质µH=εE。ε0、εr及ε分别为真空中的介电常数、介质的相对介电常数及介电常数，μ0、μr及μ分别为真空中的磁导率、介质的相对磁导率及磁导率。�平面电磁波的能流密度，即坡印廷(Poynting)矢量S为1���S=EH×（1.3）其值为S=wu=EH，其方向即为电磁波传播的方向。S随着时间变化，我们关心它的时间平均值，即平均能流密度，也称为电磁波的强度，用I表示，c1I=S=wu=w=EH（1.4）00n2二、光子利用光的波动理论可以成功地解释光的干涉、衍射、折射、反射、散射等许多光学现象，然而用光的波动性却无法解释光电效应。光照射到金属表面会发

4、射电子，但实验发现只有当光的频率超过一定值以后才有这种效应，用光的波动性难以理解这种现象。为了解释光电效应，1905年，爱因斯坦大胆地提出了光量子的概念。根据光量子假设，光具有某些粒子的性质，简称为光子。从光量子的观点看，光束是光子流。一个光子的能量为E=hν（1.5）ph式中h为普朗克常数，当把光场看作由光子组成时，电磁场的能量密度和光子数密度ρ的关系为w=ρνh（1.6）而光强I为wcρνhcI==（1.7）nn光子没有静止质量。但是按照相对论原理，一个粒子的质量m与它的能量E有如下ph关系2E=mc（1.8）ph式中c为光速。因此以光速运动的光子应有与其能量相对应的

5、质量Ephhνm==（1.9）ph22cc由光子的质量可以求出它的动量phνh2πp=mc===ℏ（1.10）phcλλ考虑到动量的方向，可写成�p=ℏk（1.11）三、电磁波谱2自从赫兹证实了电磁波的存在之后，科学家们通过许多实验不仅证明了光波是电磁波，而且证明了红外线、紫外线、X射线和γ射线等均是不同频率范围内的电磁波，它们在真空中的传播速度都是c，都具有电磁波的共同特性。为了对各种电磁波有较全面的了解，便于比较，常将电磁波按照波长λ或频率ν的大小，依次排列成谱，称之为电磁波谱，如图1.2所示。频率（Hz）红外光紫外光无线电波微波X射线γ射线波长（m）图1.2电磁波谱

6、不同波谱区域的电磁波，它们的产生方式不尽相同，特性和作用也有很大的差异。1、长波部分是无线电波和微波，它是利用电磁振荡电路通过天线发射的电磁波。无线电波根据其波长的不同(波长大于10-2米)，常分为长波、中波、短波、超短波等。微波的波－3长在0.3到10米之间。长波在介质中传播时损耗很小，故常用于远距离通讯和导航；中波多用于航海和航空定向及无线电广播；短波多用于无线电广播、电报和通讯等；超短波和微波多用于电视、雷达和无线电导航等方面。习惯上常称此部分为波谱。2、中间部分，包括红外线、可见光和紫外线，常称为光学光谱，简称光谱。它是物质中外层电子的跃迁所发射的电磁波。其中，红

7、外线的波长在10-3到7.6×10-7米，它多用于红外雷达、红外照相和夜视仪上。另外，红外线有显著的热效应(也称为热波)，所以可用来取暖，在工农业生产上常用作红外烘干等。波长在7.6×10-7到4×10-7米之间的波，能被人眼所感知，故称为可见光波。波长在4×10-7米到5×10-9米之间的波称为紫外线，它能引起化学反应和荧光效应，在医学上常用来杀菌，农业上可用来诱杀害虫。3、短波部分，包括X射线和γ射线(以及宇宙射线)，此部分可称为射线谱，是能量很大的波谱区域。X射线中是物质中内层电子的跃迁而产生的电磁波，它的波长在5×10