材料现代分析方法 2 电磁辐射与材料的相互作用.pdf

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材料现代分析方法 2 电磁辐射与材料的相互作用

第二章电磁辐射与材料的相互作用 主要内容 第一节 概述 第二节 各类特征谱基础 第三节 X射线的产生及其与物质的相互作用 第一节概述 一、辐射的吸收与发射 二、辐射的散射 三、光电离 一、辐射的吸收与发射 1.辐射的吸收与吸收光谱 2.辐射的发射与发射光谱 3.光谱的分类 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。 辐射吸收的实质在于辐射使物质粒子发生由低能级(一般为基态) 向高 能级(激发态) 的能级跃迁。 被选择性吸收的辐射光子能量应为跃迁后与跃迁前两个能级间的能 量差,即 式中:E 与E ——高能级与低能级能量。 2 1 辐射(能量)被吸收的程度(一般用吸光度)与ν或λ的关系( 曲线) ,即辐 射被吸收程度对ν或λ的分布称为吸收光谱。 2. 辐射的发射与发射光谱 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(E )后,瞬间返回基态或低能态(E ) ,多余的能量以电磁辐射 2 1 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(E 与E )之差, 2 1 即 辐射的发射,前提是使物质吸收能量即激发。 物质激发的方式分为两类:非电磁辐射激发(非光激发)和电磁辐射激 发(光激发) 。 辐射的发射与发射光谱 非电磁辐射激发又有热激发与电激发等多种方式。 电弧、火花等放电光源和火焰等通过热运动的粒子碰撞而使物质激 发称为热激发,而通过被电场加速的电子轰击使物质激发则称为电 (子)激发。 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延误时间很短(10-8~10-4s)则称为荧 光;延误时间较长(10-4~10s)则称为磷光。 辐射的发射与发射光谱 物质粒子发射辐射的强度(能量)对ν或λ的分布称为发射光谱。 光致发光者,则称为荧光或磷光光谱。 不同物质粒子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的性质,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。 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。 图2-1 线光谱与带光谱示例 (a)线光谱(钠蒸气吸收光谱) (b)线光谱(氢原子发射光谱) (c)带光谱(苯蒸气吸收光谱) (d)带光谱(氰分子发射光谱) 表2-1 吸收与发射光谱分类 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,取决于物质结 构及入射线波长大小等因素。 1.分子散射 瑞利散射 分子散射 拉曼散射 反斯托克斯线 拉曼散射谱 斯托克斯线 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。 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。 相干散射(经典散射或汤姆 晶体中的电子散

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