Laser Spectroscopy of Solids pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Yen, William M.; Selzer, Peter M.; Francis, A. H.

出品人:

页数:320

译者:

出版时间:1986-9-26

价格:USD 64.95

装帧:

isbn号码:9783540167099

丛书系列:

图书标签:

• Laser spectroscopy
• Solid state physics
• Optical properties
• Materials science
• Spectroscopy
• Physics
• Chemistry
• Solid state materials
• Laser applications
• Optical materials

《光子交互：探索物质深层结构的奥秘》 前言 宇宙万物，从最微小的粒子到最庞大的星系，都遵循着一套精妙的物理定律。而理解这些定律，洞察物质的内在本质，是人类永恒的追求。自古以来，哲学家们就试图通过思辨来揭示世界的真相，而随着科学的发展，我们得以借助日益精密的工具，直接观测和操纵微观世界。在所有探索物质性质的手段中，光与物质的交互无疑是最为强大和信息丰富的途径之一。光，作为一种电磁波，携带能量，并能与物质中的电子、原子、分子以及更复杂的结构发生一系列令人着迷的相互作用。通过精细地控制和分析这些交互过程，我们得以窥探物质在原子、分子乃至宏观尺度下的结构、动力学和电子态。 本书《光子交互：探索物质深层结构的奥秘》正是这样一部旨在深入剖析光与物质相互作用原理及其广泛应用的书籍。我们并非聚焦于激光器本身的技术细节，而是将目光投向如何巧妙地利用光作为探针，以非破坏性的方式揭示物质的深层结构和动态演化。本书将引领读者穿越由光子构建的桥梁，去理解原子振动、电子跃迁、分子构象变化、晶格动力学以及更复杂的相变等现象。我们的目标是提供一个全面而深入的视角，让读者能够理解如何通过分析光在物质中的吸收、散射、透射、荧光以及拉曼效应等过程，来提取丰富的物理和化学信息。 第一章：光子与物质的初次相遇——基本概念 revisited 本章将作为读者进入本书核心内容的基础。我们不会仅仅停留在教科书上关于光的基本性质（如波粒二象性、电磁波谱）的简单回顾，而是会深入探讨光子能量与物质中能量量子之间的匹配关系。当一个光子与物质相互作用时，它可能会被吸收，从而激发物质系统进入更高的能级；它也可能被散射，其能量会发生改变（非弹性散射）或保持不变（弹性散射）。这些过程都与物质自身的能级结构、电子排布以及原子振动模式息息相关。 我们将重点阐述几种最基本但又至关重要的光与物质交互过程： 吸收光谱： 物质如何选择性地吸收特定能量的光子，这反映了物质内部离散的能级。从紫外-可见吸收到红外吸收，不同的光谱区域对应着不同的电子或分子振动跃迁，为识别和定量分析物质提供了强有力的工具。 散射光谱： 光子在与物质相互作用后改变方向，并可能携带能量信息。我们将详细介绍瑞利散射（弹性散射，主要提供物质的折射率信息）和拉曼散射（非弹性散射，揭示物质的振动模式）。拉曼散射尤其重要，因为它能够提供如同物质“指纹”般的振动光谱，帮助我们辨识分子结构，研究化学键的性质，甚至探测晶格的缺陷。 荧光与磷光： 物质吸收光子后，通过激发态的弛豫过程发出光。荧光通常是快速的，而磷光则涉及更长的寿命。这些现象不仅在照明和显示领域有广泛应用，更在生物成像、痕量分析以及材料科学中扮演着重要角色。 本章还会涉及一些基础的量子力学概念，但会侧重于其在光与物质交互中的应用，例如玻尔模型在解释电子跃迁中的作用，以及简谐振子模型在描述分子振动中的应用。我们旨在让读者理解，这些看似抽象的理论，正是我们能够从光信号中解读物质信息的核心依据。 第二章：光谱学的强大武器——探测物质的“指纹” 在本章，我们将正式引入本书的主题——利用光作为精密的探测工具来揭示物质的结构和性质。我们将不再局限于前一章介绍的现象，而是将其升华为一系列成熟的光谱学技术。 红外光谱（IR Spectroscopy）： 重点介绍如何通过分析物质对特定红外光频率的吸收来研究其分子振动模式。我们将深入探讨各种官能团的特征吸收峰，如何利用红外光谱来识别有机化合物、研究化学键的强度和类型，以及在材料科学中分析聚合物结构和相变。 拉曼光谱（Raman Spectroscopy）： 详细讲解拉曼散射的原理，并强调其作为一种无损、无需染色的分析技术，在研究水溶液、固体材料、生物分子以及表面化学等领域的独特优势。我们将探讨拉曼光谱如何用于鉴定矿物、分析农产品质量、监测化学反应过程，甚至进行细胞成像。 紫外-可见吸收光谱（UV-Vis Absorption Spectroscopy）： 阐述其在研究物质中电子跃迁，特别是价电子和导带电子的跃迁。我们将讲解如何利用UV-Vis光谱来确定化合物的浓度（朗伯-比尔定律），研究共轭体系的性质，以及在环境监测和化学分析中的应用。 荧光光谱（Fluorescence Spectroscopy）： 深入探讨荧光产生的机制，以及如何通过分析激发和发射光谱来获得物质的结构和环境信息。我们将介绍荧光探针在生物化学、医学诊断和材料科学中的应用，例如DNA测序、蛋白质分析以及有机发光二极管（OLED）材料的研究。 本章将通过大量的实例和图示，展示这些光谱学技术如何被实际应用到各个科学领域，从基础研究到工业生产，从环境监测到生物医学。我们将强调，理解不同光谱技术适用的物质类型、能够提供的信息种类以及各自的优缺点，是选择合适的光谱学方法来解决特定问题的关键。 第三章：动中观察——时间分辨的光谱学 物质世界并非静止不动，化学反应、分子动力学、相变等过程都在不断发生。传统的静态光谱学能够提供物质的“快照”，但要真正理解其动态演化，则需要时间分辨的光谱学技术。本章将聚焦于如何利用超快的光脉冲来“冻结”瞬息万变的物质过程。 飞秒光谱学（Femtosecond Spectroscopy）： 介绍如何利用飞秒（10⁻¹⁵秒）激光脉冲作为“泵浦”和“探测”光源，来研究物质在极短时间尺度内的动力学过程。我们将探讨光化学反应的初级步骤、分子内能量传递、电子-声子耦合等。 纳秒光谱学（Nanosecond Spectroscopy）： 解释纳秒（10⁻⁹秒）时间分辨技术在研究更长寿命的激发态过程、化学动力学以及一些快速弛豫过程中的应用。 瞬态吸收光谱（Transient Absorption Spectroscopy）： 详细介绍这一强大的技术，它能够探测在泵浦脉冲激发后，物质在不同延迟时间下的吸收变化，从而揭示激发态的演化和弛豫路径。 时间分辨荧光（Time-Resolved Fluorescence）： 讲解如何测量激发态的衰减过程，以获得荧光寿命信息，进而推断分子环境和弛豫机制。 本章将展示时间分辨光谱学如何成为研究化学反应机理、固态材料激发态动力学以及生物分子功能的基础工具。例如，我们能够追踪光合作用中的能量传递过程，研究催化剂表面的反应中间体，或者理解光电材料中的载流子动力学。 第四章：结构之辩——形貌与构象的探索 除了了解物质的组成成分和动态过程，对其三维结构和构象的精确理解同样至关重要。光与物质的交互，也可以通过不同的方式来揭示这些信息。 X射线衍射（X-ray Diffraction）： 虽然本书不专门讲解X射线，但我们会简要提及X射线衍射在揭示晶体结构中的核心作用，并将其与光子探针的原理进行类比，强调结构信息的重要性。 电子衍射（Electron Diffraction）： 类似地，我们将简要提及电子衍射，并将其与光子衍射进行对比，说明不同粒子探测手段的互补性。 扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy, SPM）结合光谱学： 重点探讨如何将扫描隧道显微镜（STM）或原子力显微镜（AFM）等高分辨率成像技术与光谱学（如表面增强拉曼光谱，SERS）结合，实现对纳米尺度物质形貌和局部化学成分的同步探测。 二维核磁共振（2D NMR）光谱学： 介绍如何利用核磁共振的原理，通过复杂的脉冲序列来探测分子内原子核之间的空间关系，从而推断分子的三维结构和构象。我们将说明其与光子探测方式在本质上的区别，但目标一致——揭示结构。 圆二色谱（Circular Dichroism, CD）： 阐述CD光谱如何探测手性分子的结构信息，特别是蛋白质的二级结构（如α-螺旋、β-折叠）以及DNA的结构。 本章将强调，结构是物质性质的基础。通过结合不同的技术，我们能够从原子尺度到分子尺度，全面地了解物质的构象、立体化学以及晶体结构，为理解和设计功能性材料提供重要的依据。 第五章：从微观到宏观——多尺度与交叉学科应用 光与物质的交互，其应用范围早已超越了传统的物理和化学领域，渗透到材料科学、生物学、医学、环境科学乃至地质学等方方面面。本章将展示光子交互如何成为连接不同学科的桥梁。 材料科学中的应用： 半导体材料： 利用吸收、反射和光致发光光谱研究半导体能带结构、缺陷态以及掺杂效应，指导新一代光电器件（如LED、太阳能电池）的设计。 纳米材料： 表面等离激元共振（SPR）在纳米粒子中的应用，如何利用其增强光与物质的相互作用，以及在传感、催化和生物医学成像中的潜力。 聚合物科学： 利用红外和拉曼光谱研究聚合物的分子链结构、结晶度、玻璃化转变温度以及老化过程。 生物医学领域的应用： 生物分子探测： 荧光标记技术在蛋白质、DNA和细胞器研究中的应用，以及疾病诊断中的生物标志物检测。 药物输送与成像： 利用荧光或表面等离激元效应，实现药物在体内的可视化以及靶向输送。 组织成像与诊断： 光声成像、光学相干断层扫描（OCT）等技术，如何利用光与生物组织的光学性质差异来实现无创性成像。 环境监测与分析： 大气污染物检测： 利用差分吸收光谱（DOAS）技术监测大气中的痕量气体。 水质分析： 利用荧光和吸收光谱检测水体中的有机污染物和重金属离子。 能源领域的应用： 催化研究： 利用原位（in-situ）光谱技术研究催化剂表面的反应过程，优化催化剂性能。 光伏材料： 深入理解光伏材料的光电转换机制。 本章将通过一系列鲜活的案例，展示光与物质交互在解决现实世界问题中的强大力量。我们将强调，跨学科的合作以及对不同光谱技术原理的深刻理解，是推动这些领域不断发展的关键。 结语 《光子交互：探索物质深层结构的奥秘》并非一本终结性的著作，而是一扇开启知识大门的钥匙。光与物质的交互，是一个充满活力且持续发展的领域。随着激光技术的进步、探测器的灵敏度提升以及理论计算的日益精确，我们对物质世界的认知也在不断深化。本书旨在为读者提供坚实的基础，激发其对这一迷人领域的兴趣，并鼓励他们进一步探索和创新。无论是基础科学的研究者，还是应用领域的工程师，或是对自然奥秘充满好奇的学生，都能从本书中获得启发。让我们一起，借由光的力量，去揭示物质世界的更多精彩。

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