稀土光谱理论(稀土元素的基本性质)

1.稀土元素的基本性质

稀土元素是从稀少的矿物中发现的，人们常把不溶于水的固体氧化物称为土，所以称之稀土。一般可以把稀土分为：轻稀土或铈组稀土（镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕）；重稀土或钇组稀土（钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇）。根据稀土元素物理和化学性质（除钪之外）可分为：轻稀土组（镧、铈、镨、钕、钷）；中稀土组（钐、铕、钆、铽、镝）；重稀土组（钬、铒、铥、镱、镥、钇）。稀土离子发光的实质是未填满的4f层电子跃迁而产生的，由于4f层电子被5s和5p电子层的电子所屏蔽，晶体场对谱线位置影响较小，所以晶体场中的能级类似于自由电子的能级，表现为分离能级。

物体发光是因为其把吸收的能量转化为光辐射而产生的，实质就是能量的转换，所以稀土具有无法比拟的发光特性，这又是因为其具有特殊的电子层结构，可以将吸收到的能量以光的形式而发出[9]，所以稀土元素具有非常强的光谱性质，其发光范围几乎覆盖了整个固体发光的范畴。又因其具有丰富的电子能级，为不同的能级跃迁创造了条件，从而获得了多种发光性能[10]。从发光的形式上物体发光现象可分为两类：一是物质受到外界传给的热量，把热能转化为光能而发光；二是稀土元素原子中的电子受激发吸收能量而跃迁至激发态（非稳定态）再返回到基态的过程中，以光的形式释放能量。以稀土化合物为基质和以稀土元素为激活剂的发光材料多属于后一类。

2.稀土材料的基本介绍

稀土就是化学元素周期表中镧系元素—镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素。

简称稀土。稀土元素又称稀土金属。

稀土金属已广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域。 稀土元素在地壳中丰度并不稀少，只是分布极不均匀，主要集中在中国、美国、印度、俄罗斯、南非、澳大利亚、加拿大、埃及等几个国家。

中国是世界稀土资源储量最大的国家，主要稀土矿有白云鄂博稀土矿、山东微山稀土矿、冕宁稀土矿等等。目前全世界已探明的储量为，按人均储量计算， 稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与过渡金属（如钴、铁等）组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种磁性材料。

稀土永磁分钐钴（SmCo）永磁体和钕铁硼（NdFeB）系永磁体，其中SmCo磁体的磁能积在15~30MGOe之间，NdFeB系永磁体的磁能积在27~50MGOe之间，被称为“永磁王”，是目前磁性最高的永磁材料。钐钴永磁体，尽管其磁性能优异，但含有储量稀少的稀土金属钐和稀缺、昂贵的战略金属钴，因此，它的发展受到了很大限制。

我国稀土永磁行业的发展始于上世纪60年代末，当时的主导产品是钐-钴永磁，目前钐-钴永磁体世界销售量为630吨，我国为90.5吨（包括SmCo磁粉），主要用于军工技术。随着计算机、通讯等产业的发展，稀土永磁特别是NdFeB永磁产业得到了飞速发展。

稀土永磁材料是现在已知的综合性能最高的一种永磁材料，它比十九世纪使用的磁钢的磁性能高100多倍，比铁氧体、铝镍钴性能优越得多，比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍。由于稀土永磁材料的使用，不仅促进了永磁器件向小型化发展，提高了产品的性能，而且促使某些特殊器件的产生，所以稀土永磁材料一出现，立即引起各国的极大重视，发展极为迅速。

我国研制生产的各种稀土永磁材料的性能已接近或达到国际先进水平。现在稀土永磁材料已成为电子技术通讯中的重要材料，用在人造卫星，雷达等方面的行波管、环行器中以及微型电机、微型录音机、航空仪器、电子手表、地震仪和其它一些电子仪器上。

目前稀土永磁应用已渗透到汽车、家用电器、电子仪表、核磁共振成像仪、音响设备、微特电机、移动电话等方面。在医疗方面，运用稀土永磁材料进行“磁穴疗法”，使得疗效大为提高，从而促进了“磁穴疗法”的迅速推广。

在应用稀土的各个领域中，稀土永磁材料是发展速度最快的一个。它不仅给稀土产业的发展带来巨大的推动力，也对许多相关产业产生相当深远的影响。

磁性材料由于磁场的变化，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩。其中长度的变化称为线性磁致伸缩，体积的变化称为体积磁致伸缩。

体积磁致伸缩比线性磁致伸缩要弱得多，一般提到磁致伸缩均指线性磁致伸缩。磁致伸缩效应是1842年由焦耳发现的，故又称焦耳效应。

长期以来，作为磁致伸缩材料的主要是镍、铁等金属或合金，由于磁致伸缩值较小，功率密度不高，故应用面较窄。主要用于声纳、超声波发射等方面。

稀土超磁致伸缩材料是国外八十年代末新开发的新型功能材料。主要是指稀土-铁系金属间化合物。

这类材料具有比铁、镍等大得多的磁致伸缩值，其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约102~103倍，因此被称为大或超磁致伸缩材料。并且机械响应快、功率密度高，在所有商品材料中，稀土超磁致伸缩材料是在物理作用下应变值最高、能量最大的材料。

特别是铽镝铁磁致伸缩合金（Terfenol-D）的研制成功，更是开辟了磁致伸缩材料的新时代，Terfenol-D是70年代才发现的新型材料，该合金中有一半成份为铽和镝，有时加入钬，其余为铁，该合金由美国依阿华州阿姆斯实验室首先研制成功，当Terfenol-D置于一个磁场中时，其尺寸的变化比一般磁性材料变化大，这种变化可以使一些精密机械运动得以实现。铽镝铁开始主要用于声纳，目前已广泛应用于多种领域，从燃料喷射系统、液体阀门控制、微定位到机械致动器、太空望远镜的调节机构和飞机机翼调节器等领域。

它具有比传统的磁致伸缩材料和压电陶瓷高几十倍的伸缩性能。所以可广泛用于声纳系统、大功率超大型超声器件、精密控制系统、各种阀门、驱动器等，是一种具有广阔发展前景的稀土功能材料。

这种材料的发展使电-机械转换技术获得突破性进展。对尖端技术、军事技术的发展及传统产业的现代化产生了重要作用。

美国前沿技术（Edge Technologies）公司1989年开始生产稀土大磁致伸缩材料，其商品牌号为Terfenol-D，随后瑞典Feredyn AB公司也生产、销售稀土大磁致伸缩材料，产品牌号为Magmeg 86，近10多年来，日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出TbDyFe2型磁致伸缩材料，并有少量产品销售。稀土磁伸材料主要用于制作大功率声纳，后者广泛应用于水下通讯、制导、捕鱼、油井及地质探测等。

其它应用。

3.原子结构碰撞与光谱理论

原子结构、碰撞与光谱理论 题名 正题名：原子结构、碰撞与光谱理论 并列题名：The 并列题名语言：eng 副题名及其它说明题名信息的汉语拼音：yuan zi jie gou、peng zhuang yu guang pu li lun 丛编题名：中国工程物理研究院科技丛书 责任者 第一责任说明：方泉玉， 颜君著 个人名称：颜君 责任方式：著 个人名称汉语拼音：yan jun 出版发行项 出版地：北京 出版者名称：国防工业出版社 出版日期：2006 ISBN ISBN:7-118-03788-5 定价：CNY49。

00 载体形态项 数量及单位：28,490页 尺寸或开本：21cm 附注 总集：中国工程物理研究院科技丛书 提要、文摘或全文 本书系统地阐述了原子结构理论和电子-原子理论；以统一方式给出了原子的哈密顿矩阵、辐射跃迁矩阵、碰撞跃迁矩阵，以及各种跃迁速率的表达式；并介绍了如何将它们应用到原子反应动理学方程，以此得到等离子体原子数密度分布，并进行光谱分析。 主题 学科名称主题：原子物理学 中图法分类 分类号：O562。

1 索取号：O562。1/F288。

4.稀土发光材料的发光原理是什么

在稀土功能材料的发展中，尤其以稀土发光材料格外引人注目。稀土因其特殊的电子层结构，而具有一般元素所无法比拟的光谱性质，稀土发光几乎覆盖了整个固体发光的范畴，只要谈到发光，几乎离不开稀土。稀土元素的原子具有未充满的受到外界屏蔽的4f5d电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，构成广泛的发光和激光材料。随着稀土分离、提纯技术的进步，以及相关技术的促进，稀土发光材料的研究和应用得到显著发展。发光是稀土化合物光、电、磁三大功能中最突出的功能，受到人们极大的关注。就世界和美国24种稀土应用领域的消费分析结果来看，稀土发光材料的产值和价格均位于前列。中国的稀土应用研究中，发光材料占主要地位。

稀土化合物的发光是基于它们的4f电子在f-f组态之内或f-d组态之间的跃迁。具有未充满的4f壳层的稀土原子或离子，其光谱大约有30 000条可观察到的谱线，它们可以发射从紫外光、可见光到红外光区的各种波长的电磁辐射。稀土离子丰富的能级和4f电子的跃迁特性，使稀土成为巨大的发光宝库，从中可发掘出更多新型的发光材料。

稀土发光材料的应用会给光源带来环保节能、色彩显色性能好及长寿命的作用，有利于推动照明显示领域产品的更新换代。我国稀土发光材料行业紧跟国际稀土发光材料研发和应用的发展潮流，与下游产业之间建立了良好的市场互动机制，成为节能照明和电子信息产业发展过程中不可或缺的基础材料。除上述领域外，稀土发光材料还被广泛应用于促进植物生长、紫外消毒、医疗保健、夜光显示和模拟自然光的全光谱光源等特种光源和器材的生产，应用领域不断得到拓展。

5.稀土离子的紫外可见光谱和过渡元素有什么不同,请简述一段话

配位体场吸收谱带

过渡金属离子与显色剂（配位体）形成的络合物，具有电荷转移吸收谱带和配位场吸收谱带。配位场跃迁包括d-d*跃迁和f-f*跃迁。元素周斯表中第四、第五周期的过渡金属元素分别含有3d、4d轨道，镧系和锕系元素分别含有4f、5f轨道。在不存在外电场的自由状态下，这五个d轨道的能量是相等的，或者是简并的。它们分别被称为d(xy)、d(yz)、d(zx)、d(x2-y2)和d(z2)轨道。但是，当过渡金属离子周围有配位体的负电场存在时，就会产生配位场效应。按晶体场理论，在过渡元素络合物中，金属离子与配位体之间的结合完全依赖于纯粹的静电排斥或吸引作用。没有电子的交换也就不形成共价链。金属离子在其周围配位体电场的作用下，原来能量相同的五个简并d轨道发生了分裂。有的能量升高、有的能量降低。这种由于配位体的电场作用，而使中心离于d轨道能级分裂的效应称为配位场效应。配位情况依据配位数和配位离子品种的不同，配位场可以取正四面体、正八面体、直线形、三角形、平面正方形、三角双锥形、正方锥形、五角双锥形等等几何构型。各种不对称配位体场引起的d轨道分裂的情况各不相同，分裂能也各不相同。于是这些元素五个能量相等的d轨道和七个能量相等的f轨道，受配体的作用被分裂成若干组能量不再相等的d组轨道或f组轨道。当它们的离子吸收光能时，分裂后低能态的d电子或f电子可以分别跃迁到分裂后高能态的d轨道或f轨道。这两类跃迁分别称为d-d跃迁（或d电子跃迁）和f-f跃迁（或f电子跃迁）。又因为这两类跃迁必须在配位体场作用下才有产生的可能。故统称为配位体场跃迁。

由于这种跃迁的两个能级之间的能级差不大，产生吸收谱带的波长处于较长波长段，甚至常发生在可见光区内。如[Ti(H2O)6]3+络合离子，原先未络合时的Ti3+ 离子的唯一一个d电子可以处于五个简并d轨道中的任意一个轨道上。现在络合后，6个水同等地围绕Ti3+ 离子形成正八面体配位场络合物。选6个H2O分子所在的三个方向为X、Y、Z轴，根据电子云密度分析，中心离子的d(x2-y2)和d(z2)两个轨道与H2O配位场的电子云分布处于同轴方向相顶的状态，受配位体H2O偶极分子负电荷的静电作用，该两个轨道能量升高。而d(xy)、d(yz)、d(zx)三个轨道正好插入几个H2O配位体的空隙中间，这些轨道上的电子受到配位体静电场相斥的作用较小，故而能量降低。能量高的一组两个轨道合称为eg轨道或dr 轨道，能量较低的一组三个轨道合称为T2g轨道或dε轨道。d轨道的这两组轨道之间的能量差称为分裂能，对于过渡金属Ti水合络离子[Ti(H2O)6]3+来说，原先Ti3+离子的那个d电子在络合后从T2g轨道跃迁到空的eg轨道，从而产生了490 nm吸收谱带。图中左侧的强峰是络合物[Ti(H2O)6]3+的电荷转移跃迁吸收峰；经解析认为它的max 490 nm宽单峰就是由三重简并能级跃迁到二重简并能级而产生的吸收峰；配位体场吸收谱带的max值是由配位体场分裂能（△）决定的。这个分裂能经换算后相当于△=E(eg)-E(T2g)= 58 Kcal / mol。

由d-d跃迁产生的实测UV谱数据提供了建立无机络合物化学键现代理论所依据的大部分知识以及有关络合物结构的信息。

f-f跃迁主要是指镧系元素和锕系元素在络合物中发生的配位场跃迁。f-f跃迁和d-d跃迁相同之处是同属配位场跃迁，其吸收峰远不如电荷转移吸收峰强大，一般弱到ε镧系锕系元素的UV谱峰可很好地被用于定性量分析。例如1 mol/L高氯酸溶液中的+3价离子络合物的特征吸收峰λmax nm （ε） 如下：钕（Nd）354（ε10.9）；铕（Eu）394.2 （ε3.06）；镝（Dy）350.4（ε2.54）,365 （ε2.10）；钬（Ho）287（ε3.59）,361.1（ε2.34）；铒（Er） 379.6（ε7.18）。又如，Nb-H2O2的λmax 380 nm;Ta-H2O2的λmax 260 nm。

6.稀土离子荧光光谱的类型有哪些

荧光可分为 3类：即共振荧光、非共振荧光和敏化荧光，其中以共振原子荧光最强，在分析中应用最广。

共振荧光是所发射的荧光和吸收的辐射波长相同。只有当基态是单一态，不存在中间能级，才能产生共振荧光。

非共振荧光是激发态原子发射的荧光波长和吸收的辐射波长不相同。非共振荧光又可分为直跃线荧光、阶跃线荧光和反斯托克斯荧光。

直跃线荧光是激发态原子由高能级跃迁到高于基态的亚稳能级所产生的荧光。阶跃线荧光是激发态原子先以非辐射方式去活化损失部分能量，回到较低的激发态，再以辐射方式去活化跃迁到基态所发射的荧光。

直跃线和阶跃线荧光的波长都是比吸收辐射的波长要长。反斯托克斯荧光的特点是荧光波长比吸收光辐射的波长要短。

敏化原子荧光是激发态原子通过碰撞将激发能转移给另一个原子使其激发，后者再以辐射方式去活化而发射的荧光。

7.ICP

◆ICP-OES是电感耦合等离子原子发射光谱仪 可同时分析常量和痕量组分，无需繁复的双向观测，还能同时读出、无任何谱线缺失的全谱直读等离子体发射光谱仪，快速、线性范围宽等优点。

◆ICP-AES是单道扫描光电直读光谱仪 ICP-AES等离子体发射光谱仪是近三十年迅速发展的一种十分理想的痕量元素分析仪器。 它基于物质在高频电磁场所形成的高温等离子体中，有良好特征谱线发射，进而实现对不同元素的测定。

它具有检出限极低、重现性好，分析元素多等显著特点。附特殊装置还可以实现更多非金属元素的测量。

ICP-AES的应用领域 在稀土分析中，由于各稀土元素性质相似，不易分离富集，在分析过程中互相干扰。 使用ICP-AES光谱仪在稀土元素测定时，则表现得极为出色，在世界绝大多数稀土分离、稀土冶炼，钕铁硼永磁制造等厂家均配备ICP-AES光谱仪。

在中国地质调查、勘探等部门也均配备了性能优良的ICP-AES光谱仪。 在卫生防疫、商检、制药、化工、冶金有色工业部门也配备了数量可观的ICP-AES光谱仪。

近年来ICP-AES光谱仪的需求正呈高速增长态势。 。