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光学与光谱学


麦克斯韦电磁理论的缺陷:假定光波是 通过“以太”传播的。
为了寻找“以太”介质,迈克尔逊 (A.A.Michelson)和莫雷(E.W.Moley) 于1887年设计出了一台精密干涉仪,试 图以此观察地球相对“以太”的运动。
结论:通过任何实验都不可能观察到地 球相对于以太运动的任何效应。
1905年,爱因斯坦 (A.Einstein)发表了 著名的狭义相对论。 彻底否定了“以太” 的存在;同时还假设, 光在真空中始终以恒 定的速度传播,与光 源或观察者运动状态 无关。
(6)麦克斯韦电磁理论(19世纪60年代初)
麦克斯韦(J.C.Maxwell)的贡献: 得出了著名的麦克斯韦方程组,预言 出电磁波的存在,并推算出电磁波在 真空中的传播速度与测量得到的光速 值极为接近,进一步预言光是一种电 磁波动,诞生了光的电磁理论。
电磁波的实验证实:
赫兹(H.R.Hertz)通过一系列实验 于1888年证实了电磁波的存在。
现代光学
• 传统光学的研究对象: 以望远镜、显微镜、光谱仪、干涉仪、照 相机等为代表的各种光学仪器及其在精密 测量、光谱分析以及成像等方面的应用。
• 现代光学的重要标志: • 激光技术,信息光学,非线性光学,波导
光学
激光器的发明
• 激光名称的由来:light amplification by stimulated emission of Radiation(受激辐射激发的光放大),缩写 为LASER。故最初的中文名称音译为“镭射”“莱塞”。 1964年由钱学森教授取名为“激光”。
气。发光谓之吐气,受光谓之含气。
• (2)牛顿(Isaac.Newton)的微粒说 (17世纪)光是一种高速运动着的微粒流。 微粒说能够很好地解释光在均匀介质中的直线 传播以及在两种介质分界面上的反射定律,但 在解释折射现象时,会得出与实际情况相反的 结果,并且微粒说也不能解释光的干涉、衍射 和偏振等现象。
(7)电磁波动学说的困境
对于黑体辐射和光电效应实验,无论采用任何假设,只要 是以电磁理论为前提,所得结论都与实验结果相矛盾。
(8)量子论的提出
普朗克(M.Planck)的黑体辐射公式 爱因斯坦的光电效应方程 “光子(photon)”概念的提出
(9)光的本质的再认识
激光与新效应 光是一种特殊的粒子,具有波粒二象性。
光谱学
光谱学是光学的一个分支学科,研究物质 的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。 光谱是电磁辐射按照波长的有序排列。根 据实验条件的不同,各个辐射波长都具有 各自的特征强度。通过光谱研究,人们可 以得到原子、分子等的能级结构、能级寿 命、电子的组态、分子的几何形状、化学 键的性质、反应动力学等多方面物质结构 和性能的知识。光谱学本身是一门科学, 同时它也是一种科学手段。
4、检测器:检测器是将光信号 变为电信号的装置(硒光电池、 光电管、光电倍增管和CCD)
红外吸收光谱仪
(中)红外吸收光谱:当一束具有连续波长的红外 光通过物质,物质分子中某个基团的振动频率或 转动频率和红外光的频率一样时,分子就吸收能 量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的 振(转)动能级,分子吸收红外辐射后发生振动和 转动能级的跃迁,该处波长的光就被物质吸收。 所以,红外光谱法实质上是一种根据分子内部原 子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分 子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红 外光的情况用仪器记录下来,就得到红外光谱图。
仪器原理图
拉曼散射光谱
Raman scattering spectroscopy
THZ
光谱的分类
• 频率 X射线衍射,紫外-可见吸收光谱仪,红外 吸收光谱仪……
• 电磁波传播和接收方式 衍射、散射、透射、吸收和发射光谱
紫外-可见吸收光谱
紫外吸收光谱和可见吸收光谱都属于分子 光谱,他们是由于价电子的跃迁产生的。 利用物质的分子或离子对紫外和可见光的 吸收所产生的紫外可见吸收程度可以对物 质的组成、含量和结构进行分析、测定和 推断。
光学—光谱学—高压原位光谱学
——物理学院
光学
• 定义:光学是研究光的传播以及它和物质 相互作用问题的学科。
• 光学的研究对象、地位和特点: 光是一种重要的自然现象
光学是物理学的一个重要分支 光学学科是一门应用性极强的基础学科
光的本质
• (1)古代元气说(公元前400多年的《墨经》) 光,即火。火属五行之一,五行生于元气,故光生于元
1、光源:提供入射光装置。钨灯(3501000nm)和氘灯(180-360nm)。
2、单色器:是将光源辐射的复合光分成单色 光的光学装置。单色器一般由狭缝、色散 元件和透镜系统组成,其中色散元件是单 色器的核心部件,最常见的色散元件是棱 镜和光栅。
3、吸收池:是用于成装被测量 溶液的装置。一般可见光区使 用玻璃吸收池,紫外区用石英 吸收池(规格有很多)。
பைடு நூலகம் (3)惠更斯(C.Huygens)的波动说
光是在充满整个空间的特殊介质“以太” 中传播的某种弹性波,因此服从波动的传 播规律——惠更斯原理。
利用惠更斯原理不仅能够正确解释光的直 线传播和反射定律,也能够正确解释光的 折射定律以及双折射现象。
• (4)杨氏(T.Young)双缝干涉实验与波 动学说的重新兴起。
• 爱因斯坦的预言(1916):在组成物质的原子中,有不同 数量的粒子(电子)分布在不同的能级上,高能级上的粒 子受到某种光子的激发,会从高能级跃迁到低能级上,相 应地会辐射出与激发它的光相同性质的光——受激辐射。 在一定条件,如果能使原子和分子的受激辐射去激发其它 粒子,造成连锁反应,雪崩似的获得放大效果,就可能获 得单色性极强的辐射。
分别通过两个缝的两束光在屏幕上的重 叠区域内形成一组明暗相间的条纹。包涵 了光波波长的概念,并初步测定出了光波 波长的大小。
•。
(5)菲涅耳(A.J.Fresnel) 对光的波动说的贡献
设计了双平面镜和双棱镜干 涉实验,进一步证实了杨氏 关于双缝干涉现象解释的正 确性;发现并解释了菲涅耳 衍射;总结出了菲涅耳公式 及方程
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