目录 第2章电磁辐射及物体的波谱特性...·1 S2.1电磁辐谢.…1 2.1.1电磁辐射的本质 212申磁波谱 2.1.3电磁辐射的产生 .8 2.1.4电磁辐射的基本性质」 .10 S2.2电磁辐射与物体的相互作用. …………13 2.2.1电磁辐射的反射. 13 2.2.2电磁辐射的发射. 15 2.2.3物体的波谱特性 .19 S23电磁辐射的大气传输.…… 26 2.3.1地球大气概况 .26 2.3.2大气传输特性 27 2.3.3大气透射和大气窗口 .29
目 录 第 2 章 电磁辐射及物体的波谱特性 ............... 1 §2.1 电磁辐射 ................................... 1 2.1.1 电磁辐射的本质............................................................................................ 1 2.1.2 电磁波谱....................................................................................................... 3 2.1.3 电磁辐射的产生............................................................................................ 8 2.1.4 电磁辐射的基本性质................................................................................... 10 §2.2 电磁辐射与物体的相互作用 ..................... 13 2.2.1 电磁辐射的反射.......................................................................................... 13 2.2.2 电磁辐射的发射.......................................................................................... 15 2.2.3 物体的波谱特性.......................................................................................... 19 §2.3 电磁辐射的大气传输 .......................... 26 2.3.1 地球大气概况.............................................................................................. 26 2.3.2 大气传输特性.............................................................................................. 27 2.3.3 大气透射和大气窗口................................................................................... 29
第2章电磁辐射及物体的波谱特性 电磁辐射是遥感的能源，是传感器与远距离目标联系的纽带。遥感的本质是通过探测 器接收物体或现象反射、发射的电磁辐射信息，进而转变成影像或磁带。所以我们要应用 遥感技术，首先必须了解电磁辐射的基本性质，及其物体的波谱特性。 §2.1电磁辐射 2.1.1电磁辐射的本质 电磁辐射是自然界中以“场”的形式存在的一种物质，现代物理学的研究证明，电磁 辐射具有两重性：波动性与粒子性。也就是说，电磁辐射是一种高速运动的粒子流，在空 间的传播具波动性。 1电磁辐射的波动性 波是根动在空间的传播，电磁福射是振原发出的电磁场在空间的传播。电磁学理论指 出：在空间某区域有变化电场，那么在其邻近区域内将引起变化磁场：同样，有变化磁场 也会在其邻近区域内引起变化电场。它们相互激发形成统一的电磁场，变化的电场与磁场 的交替产生，使电磁场传播到很远的区域。电磁场在空间以一定谏度由近及远的传播过程， 实质上就是电磁辐射，它具有波动的特性，所以又称为电磁波。 H 图2-1电磁波一横波 麦克斯韦尔把电磁辐射抽象为一种以速度ⅴ在介质中传播的横波，振动着的是空间里 的电场强度矢量E和磁场强度矢量H,其振动方向垂直于前进方向，如图21，且同一点 的E和H相互垂直，变化位相相同。这种关系可用下列方程组表达： 1
1 第 2 章 电磁辐射及物体的波谱特性 电磁辐射是遥感的能源，是传感器与远距离目标联系的纽带。遥感的本质是通过探测 器接收物体或现象反射、发射的电磁辐射信息，进而转变成影像或磁带。所以我们要应用 遥感技术，首先必须了解电磁辐射的基本性质，及其物体的波谱特性。 §2.1 电磁辐射 2.1.1 电磁辐射的本质 电磁辐射是自然界中以“场”的形式存在的一种物质，现代物理学的研究证明，电磁 辐射具有两重性：波动性与粒子性。也就是说，电磁辐射是一种高速运动的粒子流，在空 间的传播具波动性。 1 电磁辐射的波动性 波是振动在空间的传播，电磁辐射是振源发出的电磁场在空间的传播。电磁学理论指 出：在空间某区域有变化电场，那么在其邻近区域内将引起变化磁场；同样，有变化磁场 也会在其邻近区域内引起变化电场。它们相互激发形成统一的电磁场，变化的电场与磁场 的交替产生，使电磁场传播到很远的区域。电磁场在空间以一定速度由近及远的传播过程， 实质上就是电磁辐射，它具有波动的特性，所以又称为电磁波。 图 2-1 电磁波—横波 麦克斯韦尔把电磁辐射抽象为一种以速度 v 在介质中传播的横波，振动着的是空间里 的电场强度矢量 E 和磁场强度矢量 H，其振动方向垂直于前进方向，如图 2-1，且同一点 的 E 和 H 相互垂直，变化位相相同。这种关系可用下列方程组表达：
(2-1) c ar 式中￡为介质相对介电常数，μ为相对磁导率，c为真空中的光速。 表征波动的主要物理量是波长入，周期T,频率V、振幅A,波数N,圆波数k和角 频率ω，以及波速)，初相位日，中是波函数，这些参数之间的关系为： = =2=2v, N=I T C = su 分=A=2经=2N (2-2) 中=Asin[(o1-kx)+0] 2电磁辐射的粒子性 电磁辐射的波动学说，在解释电磁辐射的一些现象时，如电磁辐射能在真空中的传播 光电效应等遇到困难。近代物理学研究证明：电磁辐射本身是一种很小的物质微粒，电磁 辐射过程就是具有质量的粒子的运动过程，这种运动在时空上是一种不连续的随机性运动， 它携带一定的能量。也就是说，这些微粒不能连续地吸收或发射辐射能，只能不连续地 份份地吸收或发射，这种情况叫做能量的量子化。量子化的最小单位是光子，光子具有一 定的能量和动量，而能量与动量都是粒子的属性，能量分布的量子化是粒子的基本特征。 因此，光子也是一种基本粒子。 实验证明，光子的能量与其频率成正比，即 E=hv (2-3a)） 光子动量与其波长成反比，即 P=h/ (2-3b) E、P分别为光子的能量和动量，h=6.625×10-27尔格秒，称为普朗克常数。 3波粒二象性的关系 电磁辐射的波动性与粒子性是对立统一的，从2-3a),(2-3b)两式中可以看出能量E、 动量P是粒子的属性，可表征粒子性：而频率Y,波长入是波的属性，可表征波动性，两 者通过普朗克常数h联系了起米。 从波动性来看，电磁辐射在某时空的强度和波振幅的平方成正比，比例常数为1时 1=1A12 (2-4a) 从粒子性来看，申磁辐射在某时空的强度】与该时空粒子出现的几率成正比，粒子出 现的几率即粒子流密度S，为单位时间内通过单位截面的粒子数目的多少 I=S (2-4b) 将(2-4a)与(2-4b)两式合并，取比例常数为1时
2 x E t H c = − x H t E c = − 式中ε为介质相对介电常数，μ为相对磁导率，c 为真空中的光速。 表征波动的主要物理量是波长λ，周期Ｔ，频率 ν、振幅Ａ，波数Ｎ，圆波数 k 和角 频率ω，以及波速υ，初相位θ，ψ是波函数，这些参数之间的关系为： ν＝ T 1 , ω＝ T 2 ＝２πν ， Ｎ＝ 1 υ＝ C ＝ T ＝λν， k＝ 2 ＝２πＮ ψ＝Asin[(ωt－kx)＋θ] 2 电磁辐射的粒子性 电磁辐射的波动学说，在解释电磁辐射的一些现象时，如电磁辐射能在真空中的传播， 光电效应等遇到困难。近代物理学研究证明：电磁辐射本身是一种很小的物质微粒，电磁 辐射过程就是具有质量的粒子的运动过程，这种运动在时空上是一种不连续的随机性运动， 它携带一定的能量。也就是说，这些微粒不能连续地吸收或发射辐射能，只能不连续地一 份份地吸收或发射，这种情况叫做能量的量子化。量子化的最小单位是光子，光子具有一 定的能量和动量，而能量与动量都是粒子的属性，能量分布的量子化是粒子的基本特征。 因此，光子也是一种基本粒子。 实验证明，光子的能量与其频率成正比，即 Ｅ＝ｈν (2-3ａ) 光子动量与其波长成反比，即 Ｐ＝h／λ （2-3ｂ） Ｅ、Ｐ分别为光子的能量和动量，ｈ＝6.625×10－２７尔格∙秒，称为普朗克常数。 3 波粒二象性的关系 电磁辐射的波动性与粒子性是对立统一的，从(2-3ａ)，(2-3ｂ)两式中可以看出能量Ｅ、 动量Ｐ是粒子的属性，可表征粒子性；而频率γ，波长λ是波的属性，可表征波动性，两 者通过普朗克常数ｈ联系了起来。 从波动性来看，电磁辐射在某时空的强度Ⅰ和波振幅的平方成正比，比例常数为 1 时 Ｉ＝｜Ａ｜２ (2-4a) 从粒子性来看，电磁辐射在某时空的强度Ｉ与该时空粒子出现的几率成正比，粒子出 现的几率即粒子流密度Ｓ，为单位时间内通过单位截面的粒子数目的多少。 Ｉ＝Ｓ (2-4b) 将（2-4a）与(2-4b)两式合并，取比例常数为 1 时 (2-2) (2-1)
S=A12 (2-5) 该式直接把粒子密度与波函数的关系统一起来。 由上面的论述可看出，电磁辐射具明显的波一粒二象性，连续的波动性和不连续的粒 子性是相互排斥，相互对立的：但两者又是相互联系并在一定条件下可以互相转化的。可 以说波是粒子流的统计平均，粒子是波的量子化，在传播过程中以波动性为主，遵守波动 规律，当与物质作用时又以粒子性为主。电磁辐射波长的大小影响波粒二象性的表现，波 长较长、能量较小的波动性明显：波长较短，能量较大的粒子性显著。 2.1.2电磁波谱 实验证明，现在我们所知道的宇宙射线、Y射线、义射线、紫外线、可见光、红外线、 无线电波、工业用电等都是电磁波。所有这些波在本质上基本相同，但是，由于它们的 长和频率不同而产生差别。为了便于比较电磁辐射的内部差异和进行描述，按照它们的波 长（或频率）大小，依次排列画成图表，这个图表就叫做电磁波谱，如图22所示。 不同波长的电磁波谱，既有共同特点，又有内部差异，各波段的主要特点如下。 (1)y-射线(Gamma Ray) Y射线波长λ<0.03nm,由于波长短，频率高，所以具有很大的能量，很高的穿透性。 一射线是原子核跃迁产生的，由放射性元素形成，来自放射性矿旷物的？一射线可以被低空 探测器所探测，是一个有前景的遥感波区。 (2)t一射线(x-Ray) 一射线波长入为0.03-3nm,能量也较大，贯穿能力较强，是原子层内电子跃迁产 生的，可由固体受高速电子射击形成。X一射线在大气中会被完全吸收，不能用于遥感。 (3)紫外线(Uitraviolet Ray UV) 紫外线波长入为3nm一0.38μm,紫外线由原子或分子外层电子跃迁产生，按波长 不同，可进一步分成近紫外(0.38μm一300nm),远紫外(300一200nm)和超远紫外(200 一3nm)。粒子性明显。来自太阳的紫外线，小于0.3μm者完全被大气吸收，0.3-0.38 μm的可以通过大气，用感光胶片和光电探测器进行探测。但是，该波段散射严重。 (4可见光(Visible Light) 可见光波长入为0.38μm一0.76μm,由分子外层电子跃迁产生，是电磁波中眼睛所 观察到的唯雌一波区。能通过透镜聚焦，经过棱镜色散分成赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫等 色光波段，具光化作用和光电效应，在遥感中能用胶片和光电探测器收集记录。 (5)红外线(Infrared Ray IR) 红外线波长入为0.76一1000μm,由分子振动与转动产生，按波长不同，可分成近红
3 Ｓ＝｜Ａ｜２ (2-5) 该式直接把粒子密度与波函数的关系统一起来。 由上面的论述可看出，电磁辐射具明显的波—粒二象性，连续的波动性和不连续的粒 子性是相互排斥，相互对立的；但两者又是相互联系并在一定条件下可以互相转化的。可 以说波是粒子流的统计平均，粒子是波的量子化，在传播过程中以波动性为主，遵守波动 规律，当与物质作用时又以粒子性为主。电磁辐射波长的大小影响波粒二象性的表现，波 长较长、能量较小的波动性明显；波长较短，能量较大的粒子性显著。 2.1.2 电磁波谱 实验证明，现在我们所知道的宇宙射线、γ 射线、χ 射线、紫外线、可见光、红外线、 无线电波、工业用电等都是电磁波。所有这些波在本质上基本相同，但是，由于它们的波 长和频率不同而产生差别。为了便于比较电磁辐射的内部差异和进行描述，按照它们的波 长(或频率)大小，依次排列画成图表，这个图表就叫做电磁波谱，如图 2-2 所示。 不同波长的电磁波谱，既有共同特点，又有内部差异，各波段的主要特点如下。 (1)γ—射线(Gamma Ray) γ 射线波长λ＜0.03ｎｍ，由于波长短，频率高，所以具有很大的能量，很高的穿透性。 γ—射线是原子核跃迁产生的，由放射性元素形成，来自放射性矿物的 γ—射线可以被低空 探测器所探测，是一个有前景的遥感波区。 (2)χ—射线(χ－Ray) χ—射线波长λ为 0.03－３ｎｍ，能量也较大，贯穿能力较强，是原子层内电子跃迁产 生的，可由固体受高速电子射击形成。χ—射线在大气中会被完全吸收，不能用于遥感。 (3)紫外线(Uitraviolet Ray UV) 紫外线波长λ为３ｎｍ－0.38μｍ，紫外线由原子或分子外层电子跃迁产生，按波长 不同，可进一步分成近紫外(0.38μｍ－300ｎｍ)，远紫外(300－200ｎｍ)和超远紫外(200 －３ｎｍ)。粒子性明显。来自太阳的紫外线，小于 0.3μｍ者完全被大气吸收，0.3－0.38 μｍ的可以通过大气，用感光胶片和光电探测器进行探测。但是，该波段散射严重。 (4)可见光(Visible Light) 可见光波长λ为 0.38μｍ－0.76μｍ，由分子外层电子跃迁产生，是电磁波中眼睛所 观察到的唯一波区。能通过透镜聚焦，经过棱镜色散分成赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫等 色光波段，具光化作用和光电效应，在遥感中能用胶片和光电探测器收集记录。 (5)红外线(Infrared Ray IR) 红外线波长λ为 0.76－1000μｍ，由分子振动与转动产生，按波长不同，可分成近红
外(0.76-3μm),中红外(3-6μm),远红外(6-15μm)超远红外(15-300μm)和赫兹 波(300-1000μm)。近红外是地球反射来自太阳的红外辐射，其中0.76-1.4μm的辐射可 以用摄影方式探测，所以也称摄影红外。中远红外等是物体发射的热辐射，所以也叫热红 外，它只能用光学机械扫描方式获取信息。红外线对人眼晴不起作用，能聚焦、色散、反 射，具有光电效应，对一些物体有特殊反映：叶绿素、水、半导体、热等。 4
4 外(0.76－3μｍ)，中红外(３－６μｍ)，远红外(６－15μｍ)超远红外(15－300μｍ)和赫兹 波(300－1000μｍ)。近红外是地球反射来自太阳的红外辐射，其中 0.76－1.4μｍ的辐射可 以用摄影方式探测，所以也称摄影红外。中远红外等是物体发射的热辐射，所以也叫热红 外，它只能用光学机械扫描方式获取信息。红外线对人眼睛不起作用，能聚焦、色散、反 射，具有光电效应，对一些物体有特殊反映：叶绿素、水、半导体、热等
发 拉 离解 工分子报动 分子旋转 电子跃迁 电磁场拔荡 10101010210 10310410510610710-g1090010110-210 前”0智的00P0动n”0”050边n。n010场000口100”0”0010”不先t 焦耳 00010·00104003010D001030050030被长 米 14m 红外 无线电 毁”道电 光语分区 极高颜次极高领超高斯甚高频高频中频低频 Q/KK.XCSL UHF 大气传输 图2-2电磁波谱及其应用
5 图 2-2 电磁波谱及其应用
(6)微波(Micro wave) 微波波长入为0.1一100cm,由固体金属分子转动所产生。其中可分为毫米波、厘米波 和分米波，微波的特点是能穿云透雾，甚至穿透冰层和地面松散层，其它辐射和物体对它 干扰小。物体辐射微波的能量很弱，接收和记录均较困难，要求传感器非常灵敏。 (7)无线电波(Radio wave) 无线电波由电磁振荡电路产生，不能通过大气层一一短波被电离层反射，中波和长 波吸收严重，故不能用于遥感 实际上，整个电磁波是连续不断的，各个波区或波段的分界点并不十分严格，各家划 分标准不一，且相邻波区有相当重迭。电磁波谱各波段的产生及其遥感应用如表21。 表2-1各电磁波谱段的产生及其遥感应用特征 产生方式 谱段 波长 遥感应用特征 原子核内部的 射线 <0.03nm 来自太阳的辐射完全被上层大气所吸收，不 能为遥感利用，来自放射性矿物的Y辐射作 相互作用 为一种探矿手段可被低空飞机探测到 层内电子的离子 X-射线 0.03-3nm 进入的辐射全被大气所吸收，遥感中未用 紫外线 nm-0.38um 波长小于Q.3:m的由太阳进入的紫外辐射 外层电子的离子 完全为上层大气中的臭氧所吸收 化 损影紫外 0.3-0.38μm 穿过大气层，用胶片和光电探测器可检出， 但是大气散射严重 0.38-0.43m 0.43-0.474m 青 外层电子 0.47-0.50μm用照相机、电视摄影机和光电扫描仪等均可 的激励 绿 0.50-0.564m检测，包括在0.54m附近的地球反射比峰 0.56-0.59um值 橙 0.59-0.62m 0.62-0.76μm 0.76-1000um 与物质的相互作用随波长而变，各大气传输 窗口被吸收谱段所隔开，一般有以下的划分 红外（反 这是初次反射的太阳辐射，0.7-L4um的 分子振动 红 红外) 0.76-3μm 辐射用红外胶片检测，称之为摄影红外辐射 外 品格振动 中红列 3-5μm 这是热区中的主要大气窗口，是一个宽诺段 (热红外) 内的总辐射，用这些波长成像需要使用光学 远红外 (热红外) 8-l4μm 机械扫描器（红外辐射计）而不是用胶片。 分子旋转和反转 这些较长的波长能穿透云和雾，可用于全天 电子自转与磁场 微波 0.1-100cm 候成像。其下可续分为毫米波，厘米波和分 的相互作用 米波，而且都是无线电波的一种 核自转与磁场无线电波 100-106cm☐用于无线电通讯，分超短波、短波、中波、 6
6 (6)微波(Micro wave) 微波波长λ为 0.1－100cm，由固体金属分子转动所产生。其中可分为毫米波、厘米波 和分米波，微波的特点是能穿云透雾，甚至穿透冰层和地面松散层，其它辐射和物体对它 干扰小。物体辐射微波的能量很弱，接收和记录均较困难，要求传感器非常灵敏。 (7)无线电波(Radio wave) 无线电波由电磁振荡电路产生，不能通过大气层 —— 短波被电离层反射，中波和长 波吸收严重，故不能用于遥感。 实际上，整个电磁波是连续不断的，各个波区或波段的分界点并不十分严格，各家划 分标准不一，且相邻波区有相当重迭。电磁波谱各波段的产生及其遥感应用如表 2-1。 表 2-1 各电磁波谱段的产生及其遥感应用特征 产生方式 谱 段 波 长 遥感应用特征 原子核内部的 相互作用 射线 ＜0.03ｎｍ 来自太阳的辐射完全被上层大气所吸收，不 能为遥感利用，来自放射性矿物的γ辐射作 为一种探矿手段可被低空飞机探测到 层内电子的离子 化 X-射线 0.03－3ｎｍ 进入的辐射全被大气所吸收，遥感中未用 外层电子的离子 化 紫外线 3ｎｍ－0.38μｍ 波长小于 0.3μｍ的由太阳进入的紫外辐射 完全为上层大气中的臭氧所吸收 摄影紫外 0.3－0.38μｍ 穿过大气层，用胶片和光电探测器可检出， 但是大气散射严重 外层电子 的激励 可 见 光 紫 0.38-0.43μｍ 用照相机、电视摄影机和光电扫描仪等均可 检测，包括在 0.5μｍ附近的地球反射比峰 值 蓝 0.43-0.47μｍ 青 0.47-0.50μｍ 绿 0.50-0.56μｍ 黄 0.56-0.59μｍ 橙 0.59-0.62μｍ 红 0.62-0.76μｍ 分子振动， 晶格振动 红 外 线 0.76-1000μｍ 与物质的相互作用随波长而变，各大气传输 窗口被吸收谱段所隔开，一般有以下的划分 近红外(反射 红外) 0.76-3μm 这是初次反射的太阳辐射，0.7-1.4μｍ的 辐射用红外胶片检测，称之为摄影红外辐射 中红外 (热红外) 3-5μｍ 这是热区中的主要大气窗口，是一个宽谱段 内的总辐射，用这些波长成像需要使用光学 一机械扫描器(红外辐射计)而不是用胶片。 远红外 (热红外) 8-14μｍ 分子旋转和反转， 电子自转与磁场 的相互作用 微 波 0.1-100cm 这些较长的波长能穿透云和雾，可用于全天 候成像。其下可续分为毫米波，厘米波和分 米波，而且都是无线电波的一种 核自转与磁场 无线电波 100-106cm 用于无线电通讯，分超短波、短波、中波
的相作用业用由>106cm长波 *因波长范田与相应诺的划分 不太统 作者仅采用一般划分 电磁波谱中的高频波段，如宇宙射线到大部分紫外线，粒子性特征明显：低频波段， 如大部分红外线、微波、无线电波，波动性特征明显：处于中间波段的可见光和部分紫外 线、红外线，具有明显的波粒二象性。这些不同的电磁波，从理论上讲都可进行遥感。但 是，由于技术的限制和其它干扰，目前遥感使用的主要为可见光、红外线和微波。 7
7 的相互作用 工业用电 ＞106 cm 长波 ＊ 因波长范围与相应谱的划分不太统一，作者仅采用一般划分。 电磁波谱中的高频波段，如宇宙射线到大部分紫外线，粒子性特征明显；低频波段， 如大部分红外线、微波、无线电波，波动性特征明显；处于中间波段的可见光和部分紫外 线、红外线，具有明显的波粒二象性。这些不同的电磁波，从理论上讲都可进行遥感。但 是，由于技术的限制和其它干扰，目前遥感使用的主要为可见光、红外线和微波
2.1.3电磁辐射的产生 1物质内部结构及运动规律 (1)内部结构 由现代物理学、化学研究证明，物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子是 由带正电的原子核和绕核旋转的带负电的电子组成，原子核又由质子和中子构成。 (2)运动规律 根据现代量子理论，微观物质世界的运动主要表现为三种形式：即电子的绕核运动， 原子核在平衡位置上的振动和分子以其质量中心为轴的转动。当没有外来能量刺激时，这 些运动状态是稳定的，具有一定的能量，并且该能量并不因为电子、原子、分子不停地运 动而有所衰减，当与其它粒子碰撞，或者在电磁场中被照射而吸收足够的能量时，它就会 改变运动状态，从基态轨道跃升到更高的激发态轨道上去。 基态：根据最低能量原理，在正常情况下，粒子处于最低能量的运动状态，这个状态 称为基态。对任一频率的粒子，基态能量为E,=hv。 激发态：处于基态的粒子，如果受到外来能量的激发，当它接收了足够的能量后，跃 升到较高的能量的运动状态，这种较高的状态称为激发态。激发态的能量E.=nhv。n为 电子层数，表示电子离核的距离。当n增大时，En的数值也大，表示该粒子离质量中心 越远，所具有的能量越大，处于更高的激发态。 激发：粒子从低能级跃迁到高能级的过程叫激发 激发能：激发态与基态的能量之差△E,称该激发态的激发能。 2电磁辐射的产生 粒子受激从基态进入高能量状态时，是瞬时的跃迁，不允许有中间的能量状态：处于 激发状态的粒子十分不稳定，一般在10~秒内就要往基态转化。这种转化可以有两种情况： 一是和另一个粒子碰撞，激发态被破坏，能量传递给另一个粒子，这时没有电磁辐射的发 射：另一种情况是粒子向下跃迁到一个较低的能级，释放出多余的能量，以光子的形式带 走，产生电磁辐射。 以△E表示各能级的激发能，光子的能量为hV,二者相等。即较高状态的粒子跃迁到 较低能级时多余的能量△E就以光子的能量hv辐射出去。 △E=E2-E,=hv 这一过程发射的电磁波的频率和波长分别为 =△E/h λ=c-ch/△E (2-6) 该式说明，激发能不同，辐射的光子频率不同，所发射的电磁波的波长也不同。 电子能级的激发能较高，约为1~20v,可产生频率较高的光子，发射波长为0.2 1.0微米的近紫外一可见光一近红外：原子能级的激发能较低，约为0.05~1.0ev,可发射 波长为1~25微米的近红外一远红外辐射：分子能级的激发能最低，约为0.03-0.05v, 发射辐射的波长为25一300微米，属超远红外，它也可辐射少量微波。 8
8 2.1.3 电磁辐射的产生 1 物质内部结构及运动规律 (1)内部结构 由现代物理学、化学研究证明，物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子是 由带正电的原子核和绕核旋转的带负电的电子组成，原子核又由质子和中子构成。 (2)运动规律 根据现代量子理论，微观物质世界的运动主要表现为三种形式：即电子的绕核运动， 原子核在平衡位置上的振动和分子以其质量中心为轴的转动。当没有外来能量刺激时，这 些运动状态是稳定的，具有一定的能量，并且该能量并不因为电子、原子、分子不停地运 动而有所衰减，当与其它粒子碰撞，或者在电磁场中被照射而吸收足够的能量时，它就会 改变运动状态，从基态轨道跃升到更高的激发态轨道上去。 基态：根据最低能量原理，在正常情况下，粒子处于最低能量的运动状态，这个状态 称为基态。对任一频率的粒子，基态能量为Ｅ1＝ｈν。 激发态：处于基态的粒子，如果受到外来能量的激发，当它接收了足够的能量后，跃 升到较高的能量的运动状态，这种较高的状态称为激发态。激发态的能量 En＝nｈν。ｎ为 电子层数，表示电子离核的距离。当ｎ增大时，Ｅｎ的数值也大，表示该粒子离质量中心 越远，所具有的能量越大，处于更高的激发态。 激发：粒子从低能级跃迁到高能级的过程叫激发。 激发能：激发态与基态的能量之差△Ｅ，称该激发态的激发能。 ２ 电磁辐射的产生 粒子受激从基态进入高能量状态时，是瞬时的跃迁，不允许有中间的能量状态；处于 激发状态的粒子十分不稳定，一般在 10－８秒内就要往基态转化。这种转化可以有两种情况： 一是和另一个粒子碰撞，激发态被破坏，能量传递给另一个粒子，这时没有电磁辐射的发 射；另一种情况是粒子向下跃迁到一个较低的能级，释放出多余的能量，以光子的形式带 走，产生电磁辐射。 以△Ｅ表示各能级的激发能，光子的能量为ｈν，二者相等。即较高状态的粒子跃迁到 较低能级时多余的能量△Ｅ就以光子的能量ｈν 辐射出去。 △Ｅ＝Ｅ2－Ｅ1＝ｈν 这一过程发射的电磁波的频率和波长分别为 ν=△Ｅ/ ｈ λ=c/ν=ch/△E （2－6） 该式说明，激发能不同，辐射的光子频率不同，所发射的电磁波的波长也不同。 电子能级的激发能较高，约为１～20ev，可产生频率较高的光子，发射波长为 0.2～ 1.0 微米的近紫外—可见光—近红外；原子能级的激发能较低，约为 0.05～1.0ev，可发射 波长为１～25 微米的近红外—远红外辐射；分子能级的激发能最低，约为 0.03－0.05ev， 发射辐射的波长为 25－300 微米，属超远红外，它也可辐射少量微波
物质内部运动状态被激发方式有三种：电能激发、热能激发和辐射能激发。辐射形式 有三种：共振辐射、荧光现象和热辐射。 ①共振辐射：受激跃迁到激发态的粒子，直接回到基态，辐射的光子频率与吸收的光 子频率一样。 ②荧光现象：受激跃迁到激发态的粒子，通过中间能级回到基态，它发射的光子的频 率比吸收的光子频率低。 ③热辐射：物质受激发时，将激发能转变成热能，产生热运动，这种运动所引起的粒 子互相碰撞，从而使粒子运动发生改变，由于碰撞而产生的高能量运动状态可以自发的转 变到低能运动状态，热能转变成辐射能，发出电磁辐射
9 物质内部运动状态被激发方式有三种：电能激发、热能激发和辐射能激发。辐射形式 有三种：共振辐射、荧光现象和热辐射。 ①共振辐射：受激跃迁到激发态的粒子，直接回到基态，辐射的光子频率与吸收的光 子频率一样。 ②荧光现象：受激跃迁到激发态的粒子，通过中间能级回到基态，它发射的光子的频 率比吸收的光子频率低。 ③热辐射：物质受激发时，将激发能转变成热能，产生热运动，这种运动所引起的粒 子互相碰撞，从而使粒子运动发生改变，由于碰撞而产生的高能量运动状态可以自发的转 变到低能运动状态，热能转变成辐射能，发出电磁辐射