原子分子光谱-第一次-2010.9.25

原子分子光谱郭福明原子与分子物理研究所[e-mail],13514412463教材：ATOMICANDMOLECULARSPECTROSCOPYS.Svanberg参考书：1.THETHEORYOFATOMICSTRUCTUREANDSPECTRARobertD.Cowan2.《分子光谱与分子结构》G.赫兹堡3.《原子与分子光谱导论》王国文4.《分子光谱与激光》钟立晨著者简介：SuneSvanberg教授是瑞典隆德大学（LundUniversity）激光中心主任、瑞典皇家科学院和工程院两院院士、美国物理学会和光学学会会员及中国科学院爱因斯坦讲习教授。1998年起担任诺贝尔物理学奖评委会成员（2004-2006年任评委会主席）。SuneSvanberg教授多年从事原子物理学、激光学等方面的研究，他在这些领域的基础性研究以及这些领域与能源、环境、医疗等相结合的应用性研究方面造诣颇深，并对这些领域的发展做出了杰出贡献。原子分子光谱主要内容原子结构分子结构辐射散射光学光谱激光器激光光谱激光光谱应用教学目标初步了解原子、分子结构初步了解掌握光谱技术初步了解激光光谱学及其应用§1绪论电磁辐射包括从射线到无线电波的所有电磁波谱范围，而不只局限于光学光谱区。电磁辐射与物质相互作用的方式有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。光谱分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用而建立起来的一类分析方法。射线x射线紫外光红外光微波无线电波10-2nm10nm102nm104nm0.1cm10cm103cm105cm可见光Dalton原子学说(1803年)Thomson“西瓜式”模型(1904年)Rutherford核式模型(1911年)Bohr电子分层排布模型(1913年)量子力学模型(1926年)光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长、强度进行物质成分、结构等分析的方法。光谱仪1859年，德国海德堡大学的基尔霍夫和本生发明了光谱仪，奠定了光谱学的基础,使光谱分析成为认识物质和鉴定元素的重要手段光谱法的仪器尽管各种光谱法所依据的原理不同．但它们均包含3个主要过程：光源提供能量；能量与待测物质发生相互作用；检测相互作用时产生的信号。因此，各类光谱法所用仪器的基本部件大致相同，但部件的结构、布局及光路稍有不同。a发射光谱仪b吸收光谱仪c荧光和散射光谱仪本人相关工作：高次谐波发射及阿秒脉冲制备的理论研究A&MLaserHHG高次谐波的产生谐波发射功率谱的特征示意图HarmonicorderPowerPlateauCutoffgasjetfilterXUVpulsedetectorHHG高次谐波发射的‘三步’模型高次谐波发射的单原子响应过程的经典轨道理论解释未受控的高次谐波发射长脉冲电场及原子在其作用下的谐波谱。长脉冲作用下谐波发射的时－频分析。滤取谐波谱中60-70次谐波生成的短脉冲串。实现可控的高次谐波发射及在此基础上的超短孤立阿秒脉冲的生成和脉冲宽度、强度的优化。谐波发射的数值模拟2()2pitVttt2()2pitVttt在电偶极近似和长度规范下，靶原子在组合激光脉冲作用下的含时Schrödinger方程为：()t数值求解该含时Schrödinger方程，即可得到任意时刻的波函数。偶极加速度的期望值为：2211expfittfiPitatdttt22drtattVttdt§2原子结构§2.1单电子体系（氢、类氢离子）ip能级决定于主量子数n，n越大能级越高、相邻能级间隔越小。轨道角量子数l决定态函数（电子云形状）。氢原子薛定谔方程的解析求解定态薛定谔方程为：在球坐标系下：,cossinrx,sinsinry,cosrzzyx可以用分离变数法化成常微分方程求解，即设：)()()(rR2L2(,)(1)(,)0,1,2,...lmlmLYllYl氢原子薛定谔方程的解析求解方程（1）的解为()0,1,2,limlAeml方程（2）的解为/22()(1cos)(cos)0,1,2,...coslllmmlmdPld方程（3）的解为0210022()()()rnallnlnlnlrrRrNeLnana其中：Nnl为归一化常数，202,0,1,2,...,1alnme12llnL为缔合勒盖尔多项式。2222222222200(1)1(sin)[(1)]0(2)sinsin12(1)()[]0(3)42lldmdmddllddddRmellrERrdrdrrmr氢原子的波函数：),()(),,(lmnlnlmYrRr氢原子薛定谔方程的解析求解束缚态能量：126534氢原子能级图-13.6eV-3.39eV-1.51eV-0.85eVEnl主量子数n赖曼系巴尔末系帕邢系布喇开系类氢离子的能级n1和n2之间的能量差为：)11(2221212nnhcZREEynnn1n2跃迁时，原子所发射或吸收的电磁辐射的频率为：212221211()nnyEERcZhnn装有低压高纯H2的放电管所发出的光,通过棱镜分光后，在可见光区波长范围内，可以观察到不连续的四条谱线§2.2碱金属原子内层电子与原子核结合的较紧密，而价电子与核结合的很松，可以把内层电子和原子核看作一个整体称为原子实。价电子绕原子实运动，原子的化学性质及光谱都决定于这个价电子。-e价电子靠近原子实，使原子实极化-e轨道贯穿原子实-e价电子离原子实较远，价电子受到原子实的中心对称的电场作用，有效核电荷数为12nhcREy由于原子实被贯穿、极化，内层电子对原子核的屏蔽作用降低，致使价电子感受到的束缚电场增强（有效核电荷数增大），束缚能增大，导致量子数亏损，n→neff=n-d。一般l越小贯穿效果越强，量子亏损d越大，而高l电子量子亏损接近0。如锂和钠不同l电子的量子亏损约为：锂：ds=0.4dp=0.05dd=0.001df=0.000钠：ds=1.35dp=0.86dd=0.001df=0.000（3）n很大时，能级与氢的很接近，少数光谱线的波数几乎与氢的相同；当n很小时，谱线与氢的差别较大。（1）能量由（n,）两个量子数决定，主量子数相同，角量子数不同的能级不相同。（2）n相同时能级的间隔随角量子数的增大而减小，相同时，能级的间隔随主量子数n的增大而减小。特点：§2.3磁效应§2.3.1进动伴随着角动量L的磁矩μL在磁场B中受到力矩的作用，致使角动量L绕磁场B进动，进动角频率ω=gμBB。μB为Bohr磁子，g为比例常数。§2.3.2旋轨相互作用电子自旋现象的实验装置由于电子绕核运动，形成一个与电子角动量成比例的磁场B，电子在这个磁场中具有能量Eso-erZ*ev-erZ*eBv电子轨道角动量和自旋角动量s的矢量和j守恒，和s在磁场作用下绕j进动。用相应的量子数来表示角动量矢量的大小：|j|=[j(j+1)]1/2,||=[(+1)]1/2,|s|=[s(s+1)]1/2j=±s=0,1,2,…s=1/2由带入到（2.13）式得由于相同的，对应j存在两种结果+1/2和-1/2，因此能级的精细结构劈裂为两个j能级，能级差由下式给出：一般高j能级高于低j能级，△Eso0,如碱金属原子的2P精细结构劈裂复合该规律。单对于1的情况，有时出现能级倒置，这是由于外层电子使原子实极化，致使内层电子轨道磁场出现负贡献作用。根据量子力学精细结构常数里德堡常数13714120cechmeR32042)4(22sj)1)(21(nZRchE222342s附加能量谢谢！