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第一章 光谱学基础知识
第一节 光
1、光是一种电磁波（横波）
单色波的波函数
光与物质的相互作用主要是电场E的作用
光具有能量，也具有动量
第一页，共15页。
1905年爱因斯坦大胆地提出了光量子的第一章 光谱学基础知识
第一节 光
1、光是一种电磁波（横波）
单色波的波函数
光与物质的相互作用主要是电场E的作用
光具有能量，也具有动量
第一页，共15页。
1905年爱因斯坦大胆地提出了光量子的概念
2、光的粒子性—光子
波矢
光子的自旋量子数为整数，
。它在特殊方向上的投影用量子数
表示，
它们对应于线偏振光、左旋和右旋偏振光。
光子的自旋量子数为整数1，是玻色子，因此允许许多光子数处于同一状态，或称处于同一模式 。
光子具有角动量，在光与物质相互作用时要遵守角动量守恒定律。当用偏振光与原子或分子相互作用时，要用相应的选择定则去分析
第二页，共15页。
光的相干性，是指在不同空间点上和不同时刻的光波电场之间的相关性
2、光的相干性
如果相位差
在足够长的观察时间内维持不变，则光强可以写成
两束光相干
如果在观察时间内
随机变化，则因子
，
两束光非相干
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时间相干性：指在同一空间点上，两个不同时刻的光场之间的相干性。时间相干性常用相干时间来描述。处在相干时间间隔内的光场是相干的。在相干时间内光波传播的距离称为相干长度
空间相干性：指在同一时刻，两个不同空间点上光场之间的相干性。
第二节 光在介质中的传播
1、原子辐射的经典解释
将原子看成为一个外层价电子绕原子实转动的系统，原子实的质量很大，可将电子的转动看作为绕固定中心的振动。
不考虑阻尼，电子的运动方程：
事实上，电子─原子实系统构成一个电偶极子，
为电偶极矩。振动电偶极子
辐射阻尼。辐射阻尼力:
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考虑阻尼力：
小阻尼：
阻尼系数
场强E与x成正比，
辐射场强衰减，辐射功率也是衰减的，
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2、原子系统的吸收与色散
外加光场对原子的作用：原子将作受迫振荡。
设光场：
电子运动方程：
其解：
稳态解
瞬态解
振子与外光场相位差
时，振动幅度最大，共振。
远离
时，振幅很小，但这是一个稳定的振幅
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极化与色散
当光波通过一种介质时，会产生极化现象。诱导极化强度P与电场强度E成正比：
极化率
介质介电常数 ：
折射率 ：
色散
吸收
反常色散区是吸收极大区
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第三节 能级跃迁
1、原子数的布居
处在热平衡状态的原子体系，原子数按能级的分布服从玻耳兹曼分布。
高能级m和低能级n上的原子数之比为
√ 较高能级m上的原子数总是小于较低能级n上的原子数。
√ 如果m和n能量间隔很大，激发态m上的布居可以少到可以忽略
2、光与原子、分子作用的三种过程
⑴ 吸收
当外界辐射场频率和相应的跃迁能间距相等时
处于低能级的原子会吸收外界辐射场的一个光
子而从低能级跃迁到高能级
吸收跃迁几率
爱因斯坦吸收系数
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（2）自发发射
处于激发态的原子在没有外界的影响下，以辐射的方式返回基态的过程
能级2的平均自发发射寿命：
（3）受激发射
在外界辐射场的激发下产生的发射过程。
√发射光与激发光具有相同的频率、位相、偏振和传播方向
受激发射几率：
爱因斯坦受激发射系数
（4）爱因斯坦系数间的关系
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第四节 光谱
光波段
1、光波段
2、光谱的分类
√按产生机制：发射谱，吸收谱
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√按谱线特征：分立谱，连续谱
分立谱－线状谱：某些频率上光强极大
连续谱：一段光谱区上光强连续过渡无法分离。热辐射、原子光致电离、等离子中电子韧致辐射，电子与离子复合会产生连续光谱
√分子是由原子组成，依靠原子间的相互作用力形成化学键，把原子结合在一起。
3、分子光谱的特征
√分子内部存在着下列三种运动：(1) 价电子在键连着的原子间运动；(2) 各原子间的相对运动-振动；(3) 分子作为一个整体的转动。
√B-O近似：
电子光谱：跃迁发生在不同电子态间，紫外与可见区域，
振动光谱：跃迁发生在同一电子态内不同振动能级间，近红外区域
转动光谱：同一电子态和振动态的不同转动