光谱学导论（孙江）

1《光谱学导论》为适应本科生的知识结构，本书从量子力学的基本概念和理论框架出发，减少理论推导，重点分析物理图像。 2《光谱学导论》在吸收了光谱学的前沿技术的同时，仍然把光谱学中基本的概念和重要理论方法作为重点，以便读者在较长时期都能运用这些知识和概念，适应技术的新变化。 3 《光谱学导论》从实际情况出发，紧密结合光电信息科学与技术专业的培养目标，学习本教材，可使学生系统掌握原子光谱、双原子分子光谱的基本理论知识，使学生有能力阅读光谱的专著和文献，为今后从事相关学科学习与研究奠定基础。

光谱学是近代物理学中的一大分支，主要研究光谱的产生、特性和规律，是一门主要涉及物理学及化学的重要交叉学科，广泛应用于科学研究和生产技术中，目前已渗透到光物理、光化学、光生物等各领域。
河北大学物理科学与技术学院在20世纪70年代就开设了“光谱学”课程，依次作为光学、应用物理、光信息、光电信息、新能源专业的专业必修课程一直开设至今。90年代初，郭庆林教授在参考国内外光谱学相关资料的基础上，编写了光谱学讲义用于教学。近30年来，随着时代的发展和教学的改革，该讲义不断改进、完善地应用于本科教学，获得社会和广大学生的一致认可。
本书在自编讲义的基础上进行归纳完善而来。为适应本科生的知识结构，本书从量子力学的基本概念和理论框架出发，减少理论推导，重点分析物理图像。读者只需具有大学普通物理、高等数学和光学的基础知识，就可以阅读此书。教材在吸收了光谱学的前沿技术的同时，仍然把光谱学中最基本的概念和最重要的理论方法作为重点，以便读者在较长时期都能运用这些知识和概念，适应技术的新变化。教材从实际情况出发，紧密结合光电信息科学与技术专业的培养目标。学习本教材，可使学生系统掌握原子光谱、双原子分子光谱的基本理论知识，使学生有能力阅读光谱的相关文献，为今后从事相关学科学习与研究奠定基础。
由于编者水平和时间所限，书中疏漏之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

孙江 郭庆林 王颖
河北大学物理科学与技术学院 
2019年12月

孙江，河北大学物理学院，教授，孙江教授2004年7月毕业于中科院物理所光学专业。2004年8月至今在河北大学物理学院光电信息科学与工程系工作，从事非线性光学、原子与分子物理领域的相关研究，并主讲《光谱学》、《光电子学》、《光信息专业实验》和《量子信息光学导论》等课程。
参与并结项教改项目两项：
（1）“光电信息科学与工程”教育部综合改革试点，2013年-2017年
（2）“光电信息科学与工程”国家特色专业，2008年-2012年

《光谱学导论》以原子的光谱学知识为核心，采用量子力学作为理论基础，重点讲述了原子谱线的精细结构、超精细结构和外场作用下的谱线分裂行为，内容涵盖了氢原子、碱金属原子、双价电子原子和多价电子原子的光谱。在此基础上，本书对分子光谱学的基本原理做了概述，介绍了最简单的分子——双原子分子的振动、转动和电子光谱的量子理论，为读者进一步深化学习分子光谱理论打下了基础。最后，为了便于读者对现代光谱测量方法有一定的认识，本书介绍了几种激光光谱技术。
《光谱学导论》可作为高等学校光电信息科学与技术专业本科生教材使用，同时也可供对光谱学感兴趣的社会各界人士阅读参考。

绪论
一、光谱学发展简史1
二、光谱学目前状况3
三、光谱的应用范围3
四、光谱学中基本术语3
习题4

第一章氢原子和类氢离子光谱
第一节氢原子和类氢离子线系5
一、体系能量5
二、辐射跃迁6
三、谱线系与能级图7
第二节光谱线的精细结构8
一、相对论效应的影响8
二、电子自旋效应的影响10
三、谱线的精细结构及兰姆位移11
习题13

第二章碱金属原子及其光谱
第一节体系能量及谱线体系14
第二节谱线精细结构16
第三节碱金属原子光谱的强度分布19
第四节类碱离子的光谱20
习题21

第三章双价电子的原子及其光谱
第一节双价电子的矢量模型22
一、LS耦合模型及光谱项22
二、jj耦合模型及光谱项24
第二节双价电子原子的能级分布27
一、耦合中的相互作用能27
二、LS耦合能及其分布28
三、jj耦合能及其分布31
第三节两种耦合形式的关联34
第四节双价电子原子的光谱35
一、氦原子的能级及光谱35
二、ⅡA族及ⅡB族元素的光谱37
习题38

第四章多价电子的原子及其光谱
第一节有心力场近似40
一、有心力场近似理论40
二、有心力场修正41
第二节复杂原子的矢量模型及其光谱项规律42
一、分支定则42
二、多重项的奇数与偶数交替规律44
三、郎德间隔规则44
四、洪特定则46
五、基态光谱项的确定46
第三节多价电子的原子态能量及光谱46
一、多价电子的原子态能量46
二、惰性气体的原子光谱47
三、卤族元素的原子光谱47
四、稀土元素的原子光谱48
第四节双电子激发、内电子激发和自电离48
一、双电子激发49
二、内电子激发49
三、自电离51
习题51

第五章原子光谱的超精细结构
第一节同位素效应53
一、同位素位移53
二、同位素位移谱的丰度55
第二节核自旋效应55
一、核自旋及其磁矩55
二、核自旋矢量模型56
三、核自旋与电子的相互作用56
四、核自旋效应下的光谱结构57
第三节核电四极矩效应58
一、核电荷与电子电荷间的相互作用58
二、核电四极矩对能级分布的影响59
习题60

第六章外场中的原子光谱
第一节磁场中的原子光谱61
一、磁相互作用能61
二、塞曼分裂62
三、塞曼分裂谱的谱线相对强度63
四、g因子和定则64
五、强磁场下的原子光谱65
第二节电场中的原子光谱68
一、电场中原子体系的能量69
二、电场中的原子光谱结构69
三、强电场中的斯塔克效应71
习题72

第七章辐射跃迁的谱线强度和线宽
第一节辐射跃迁的谱线强度73
一、不涉及自旋与轨道耦合的情况74
二、涉及自旋与轨道耦合的情况74
第二节辐射跃迁的谱线宽度75
一、自然宽度75
二、碰撞展宽76
三、多普勒展宽76
习题76

第八章分子光谱的理论基础
一、量子理论基础77
二、分子对电磁辐射的吸收和发射78
三、选择定则79
习题80

第九章双原子分子的转动及其光谱
第一节刚性转子及其光谱81
一、刚性转子模型81
二、能量与波函数81
三、光谱结构82
四、应用举例82
第二节非刚性转子模型及其光谱83
一、非刚性转子模型83
二、体系的能量和波函数83
三、光谱结构85
四、应用举例85
第三节双原子分子转动光谱的吸收谱强度86
一、转动能级的热分布86
二、吸收谱的强度87
习题88

第十章双原子分子的振动及其光谱
第一节双原子分子的振动光谱89
一、简谐振子模型89
二、非简谐振子模型91
第二节双原子分子力常数和离解能的确定94
一、分子力常数k的确定94
二、离解能D的确定94
第三节振动-转动光谱96
一、模型96
二、振动-转动体系能量96
三、振动-转动的光谱结构98
习题99

第十一章双原子分子的电子态与电子光谱
第一节双原子分子的电子态100
一、双原子分子的轨道理论100
二、分子轨道的表示法101
三、双原子分子轨道的对称性102
四、分子的电子态103
五、电子态跃迁的选择定则104
第二节双原子分子的电子光谱105
一、电子光谱的振动结构105
二、振动结构的强度分布106
三、电子光谱的转动结构108
习题110

第十二章双原子分子的拉曼光谱
第一节双原子分子转动拉曼光谱散射理论111
一、拉曼散射的经典理论111
二、拉曼散射的量子解释112
三、转动拉曼光谱113
第二节双原子分子的振动拉曼光谱113
一、经典理论113
二、振动拉曼光谱114
三、振动-转动拉曼光谱114
习题115

第十三章高分辨激光光谱技术
第一节亚多普勒展宽光谱技术116
一、饱和吸收光谱技术116
二、偏振调制光谱技术119
三、双光子共振非简并四波混频120
第二节激光拉曼散射光谱123
一、复杂分子拉曼散射的基本原理123
二、拉曼光谱仪的结构127
三、CCl4振动拉曼光谱128
习题130

附录
附录A氢原子的量子力学解131
附录B选择定则135

参考文献