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荧光光谱实验
—电子俘获材料光谱特性的研究
在现代技术中，固体发光在光源、显示、光电子学器件和辐射探测器等方面都有广泛的应用。在物理研究中，发光光谱是研究固体中电子状态、电子跃迁过程以及电子—晶格相互作用等物理问题的一种常用方法。本实验主要研究固体的荧光光谱。通过固体粉末材料—电子俘获材料荧光光谱的测定，了解固体荧光产生的机理和一些相关的概念，学习荧光光谱仪的结构和工作原理，掌握荧光光谱的测量方法，并对荧光光谱在物质特性分析和生产实际中的应用有初步的了解。
一、实验目的
了解固体荧光产生的机理和一些相关的概念；
学习荧光光谱仪的结构和工作原理；
掌握荧光光谱的测量方法；
对荧光光谱在物质特性分析和实际中的应用有初步的了解。
二、仪器用具
970CRT荧光光度分光计，WGZ-10型荧光光度计，计算机，打印机，电子俘获材料试样。
三、实验原理
1.有关光谱的基本概念
光谱：光的强度随波长（或频率）变化的关系称为光谱。
光谱的分类：按照产生光谱的物质类型的不同，可以分为原子光谱、分子光谱、固体光谱；按照产生光谱的方式不同，可以分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱；按照光谱的性质和形状，又可分为线光谱、带光谱和连续光谱；而按照产生光谱的光源类型，可分为常规光谱和激光光谱。
光谱分析法：光与物质相互作用引起光的吸收、发射或散射（反射、透射为均匀物质中的散射）等，这些现象的规律是和物质的组成、含量、原子分子和电子结构及其运动状态有关的。以测光的吸收、散射和发射等强度与波长的变化关系（光谱）为基础而了解物质特性的方法，称为光谱分析法。
发射光（发光）：发光是物体内部将以某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程，它区别于热辐射，是一种非平衡辐射；又与反射、散射和韧致辐射等不同，其特点是辐射时间较长，即外界激发停止后，发光可以延续较长时期(10-11s以上)，而反射、散射和韧致辐射的辐射期间在10-14下。
荧光历史上曾根据发光持续时间的长短把发光区分为荧光和磷光两种。荧光在照射停止后几乎立即停止(发光持续时间小于10-8s的称为荧光，而发光持续时间大于10-8s的称为磷光。任何发光都有一个复杂的衰减过程，把发光区分为荧光和磷光并无多大实际意义，故除习惯上有时仍给予不同名称外，现已不把它们当作是两种不同的物理过程。
：某些物质受到光照射时，除吸收某种波长的光之外还会发射出比原来所吸收光的波长更长的光，这种现象称为光致发光(photluminescence，PL)，所发的光称为荧光。
荧光光谱分析法：利用物质吸收光所产生的荧光光谱对物质特性进行分析测定的方法，称为荧光分析法。
荧光分析法历史悠久，1867年人们就建立了用铝－桑色素体系测定微量铝荧光分析法到19世纪末，已经发现包括荧光素、曙红、多环芳烃等600多种荧光化合物。进入20世纪80年代以来，由于激光、计算机、光导纤维传感技术和电子学新成就等科学新技术的引入，大大推动了荧光分析理论的进步，加速了各式各样新型荧光分析仪器的问世，使之不断朝着高效、痕量、微观和自动化的方向发展，建立了诸如同步、导数、时间分辨和三维荧光光谱等新的荧光分析技术。
2.固体的荧光
价带

禁带

杂质能级基态

杂质能级激发态
导带
图1固体的能带结构图
(1)荧光产生的机理
固体的能级具有带状结构，其结构示意图如图1所示。其中被电子填充的最高能带称为价带，末被电子填充的带称为空带（导带），不能被电子填充的带称为禁带。当固体中掺有杂质时，还会在禁带中形成与杂质相关的杂质能级。
当固体受到光照而被激发时，固体中的粒子（原了、离子等）便会从价带（基态）跃进到导带（激发态）的较高能级，然后通过无辐射跃迁回到导带（激发态）的最低能级，最后通过辐射或无辐射跃迁回到价带（基态或能量较低的激发态），粒子通过辐射跃迁返回到价带（基态或能量较低的激发态）时所发射的光即为荧光，其相应的能量为（）。
以上荧光产生过程只是众多可能产生荧光途径中的2个特例，实际上固体中还有许多可以产生荧光的途径，过程也远比上述过程复杂的多，有兴趣的同学可参看固体光谱学的有关资料。
荧光光强正比于价带（基态）粒子对某一频率激发光的吸收强度，即有
(1)
式中是荧光量子效率，表示发射荧光光子数与吸收激发光子数之比。若激发光源是稳定的,入射光是平行而均匀的光束，自吸收可忽略不计，则吸收强度与激发光强度成正比，且根据吸收定律可表示为
(2)
式中A为有效受光照面积，为吸收光程长，为材料的吸收系数，N为材料中吸收光的离子浓度。

(2)荧光辐射光谱和荧光激发光谱
基态与激发态粒子的位置坐标
能量
基态
基发态
图2位形坐标模型与吸收、
发射光过程示意图
荧光物质都具有两个特征光谱，即辐射光谱或称荧光光谱(fluorescencespectrum)和荧光激发光谱(excit