第六章 光的吸收色散 物理光學(xué)課件

1、 教學(xué)目標：教學(xué)目標：掌握朗伯定律、瑞利定律；理解光的吸收、散射和掌握朗伯定律、瑞利定律；理解光的吸收、散射和 色散的特點及相互聯(lián)系；了解有關(guān)現(xiàn)象的經(jīng)典理論色散的特點及相互聯(lián)系；了解有關(guān)現(xiàn)象的經(jīng)典理論 解釋。解釋。內(nèi)容分析：內(nèi)容分析：第一單元（第一單元（1）：經(jīng)典電磁理論中用以解釋光與物）：經(jīng)典電磁理論中用以解釋光與物 質(zhì)相互作用的電偶極子模型。質(zhì)相互作用的電偶極子模型。 第二單元（第二單元（2）：光的吸收及規(guī)律。）：光的吸收及規(guī)律。 第三單元（第三單元（3）：光的散射及規(guī)律。）：光的散射及規(guī)律。 第四單元（第四單元（4）：光的色散及規(guī)律。）：光的色散及規(guī)律。第六章 光的吸收、散射和色散 定義

2、：光通過介質(zhì)后出現(xiàn)的出射光強小于入射光強的現(xiàn)象。定義：光通過介質(zhì)后出現(xiàn)的出射光強小于入射光強的現(xiàn)象。 解釋：用經(jīng)典電磁理論中的振子模型解釋：光能解釋：用經(jīng)典電磁理論中的振子模型解釋：光能 振動能振動能 熱能。熱能。21 吸收定律吸收定律1朗伯定律：朗伯定律： 設(shè)光通過厚度為設(shè)光通過厚度為dx的介質(zhì)層時，的介質(zhì)層時， 光強由光強由i減少為（減少為（idi），則有：），則有： 成立，成立，積分可得通過厚度為積分可得通過厚度為l的介質(zhì)后的光強的介質(zhì)后的光強 i ， 這就是朗伯定律，式中a稱吸收系數(shù)。i0ii-didxxx+dxlxdxidialaiidxidi002 光的吸收光的吸收laeii02比

3、爾定律：比爾定律：實驗表明：在濃度較低的溶液中，吸收系數(shù)實驗表明：在濃度較低的溶液中，吸收系數(shù) a與溶液濃度與溶液濃度c成正成正 比，比， a=ac。a為與溶液濃度為與溶液濃度c無關(guān)的常數(shù)，表征物無關(guān)的常數(shù)，表征物 質(zhì)的分子特性。質(zhì)的分子特性。 代入代入 a與與c的關(guān)系，朗伯定律變形為的關(guān)系，朗伯定律變形為:這稱為比爾定律。利用比爾定律通過測量 i 可得溶液的濃度c。acleii022 吸收類型吸收類型一般吸收：一般吸收： a值很小且不隨波長發(fā)生明顯變化，即呈現(xiàn)所謂值很小且不隨波長發(fā)生明顯變化，即呈現(xiàn)所謂 “透明透明”狀態(tài)。狀態(tài)。選擇吸收：選擇吸收： a值很大且隨波長發(fā)生急劇變化，即呈現(xiàn)值很大

4、且隨波長發(fā)生急劇變化，即呈現(xiàn)“不透明不透明” 的狀態(tài)。的狀態(tài)。 吸收普遍存在于一切介質(zhì)中，任何介質(zhì)中都可發(fā)生兩種類吸收普遍存在于一切介質(zhì)中，任何介質(zhì)中都可發(fā)生兩種類型的吸收，關(guān)鍵取決于波長。型的吸收，關(guān)鍵取決于波長。23 吸收光譜吸收光譜 產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源在通過介質(zhì)后會產(chǎn)生吸收，所形成的產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源在通過介質(zhì)后會產(chǎn)生吸收，所形成的光譜為吸收光譜，如圖光譜為吸收光譜，如圖65所示。吸收系數(shù)大的位置出現(xiàn)譜線所示。吸收系數(shù)大的位置出現(xiàn)譜線消失。消失。 用用 途：物質(zhì)的定量分析；氣象、天文研究。途：物質(zhì)的定量分析；氣象、天文研究。 定義：光通過某些介質(zhì)時，在偏離正常傳播方向上有光出射的定義：光

5、通過某些介質(zhì)時，在偏離正常傳播方向上有光出射的 現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 31 散射類型散射類型 1、 瑞利散射瑞利散射 發(fā)生于混濁介質(zhì)中。原因是在均勻介質(zhì)中包含許多線度發(fā)生于混濁介質(zhì)中。原因是在均勻介質(zhì)中包含許多線度 比波長更小的、折射率不同的其他物質(zhì)的微粒。比波長更小的、折射率不同的其他物質(zhì)的微粒。 2 、分子散射、分子散射 發(fā)生于表面看來均勻純凈的介質(zhì)中。原因是介質(zhì)中分子發(fā)生于表面看來均勻純凈的介質(zhì)中。原因是介質(zhì)中分子 密度密度 起伏破壞了介質(zhì)的均勻性而導(dǎo)致。起伏破壞了介質(zhì)的均勻性而導(dǎo)致。3 光的散射光的散射32 散射定律散射定律1正常傳播方向上的光強正常傳播方向上的光強: 因為散射分散了正常傳播方

6、向上的光能量，表現(xiàn)為正常傳播因為散射分散了正常傳播方向上的光能量，表現(xiàn)為正常傳播方向上光強的減弱，故可用朗伯定律描述：方向上光強的減弱，故可用朗伯定律描述： s 稱散射系數(shù)，出射光仍為自然光。2散射光的光強散射光的光強 : 設(shè)觀察方向與正常傳播方向之間的夾角為設(shè)觀察方向與正常傳播方向之間的夾角為 ，散射光強為：，散射光強為： 注意，觀察面為 x-o-z 平面，參見圖6-8 。lleieiisa002cos1yoii33 瑞利散射定律瑞利散射定律 實驗表明：散射光中各種波長的能量不是均勻分布的，短實驗表明：散射光中各種波長的能量不是均勻分布的，短波占有明顯優(yōu)勢，即有波占有明顯優(yōu)勢，即有 的關(guān)系成

7、立，這個關(guān)系稱為瑞的關(guān)系成立，這個關(guān)系稱為瑞利定律。利定律。41i3、散射光的偏振特性：、散射光的偏振特性：在垂直于光束的方向在垂直于光束的方向上上（z）觀察，）觀察， 散射光為散射光為平面偏振光。其他方平面偏振光。其他方向向上（上（ y, c ）觀察到的是）觀察到的是部分偏振光。部分偏振光。 34 分子散射分子散射是由物質(zhì)分子密度的漲落而引起的，它弱于瑞利散射。是由物質(zhì)分子密度的漲落而引起的，它弱于瑞利散射。 定義：光通過介質(zhì)時，傳播速度隨頻率而變化，因而不同波長定義：光通過介質(zhì)時，傳播速度隨頻率而變化，因而不同波長 的光具有不同的折射率值的現(xiàn)象。的光具有不同的折射率值的現(xiàn)象。 41 色散現(xiàn)

8、象與經(jīng)典電磁理論的矛盾色散現(xiàn)象與經(jīng)典電磁理論的矛盾由麥克斯韋方程組可得：由麥克斯韋方程組可得：rrrrrvcncvc,100 由此可得由此可得 n 與頻率與頻率 、波長波長 無關(guān)。無關(guān)。4 光的色散光的色散色散現(xiàn)象的客觀存在說明了電磁理論存在缺陷。只有在深入色散現(xiàn)象的客觀存在說明了電磁理論存在缺陷。只有在深入研究物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，才能解釋折射率隨頻率變化的研究物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，才能解釋折射率隨頻率變化的原因。原因。 物質(zhì)的色散特性可用角色散率物質(zhì)的色散特性可用角色散率d描述：描述：對棱鏡對棱鏡 表征表征 關(guān)系的存在，即表征物質(zhì)的色散特性。關(guān)系的存在，即表征物質(zhì)的色散特性。 ddd dd

9、nanad2sin12sin222ddn fn 42 色散曲線和光譜色散曲線和光譜 實驗中用實驗中用正交棱鏡觀察法正交棱鏡觀察法測量色散曲線，參見圖測量色散曲線，參見圖612。對棱鏡有最小偏向角對棱鏡有最小偏向角 , 0可表示可表示譜線的移動距離，即譜線可表示出譜線的移動距離，即譜線可表示出 n 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 nan001即色散曲線：色散曲線： 實驗中通過測定不同波長的光對應(yīng)的實驗中通過測定不同波長的光對應(yīng)的 0，得出，得出n 關(guān)系，關(guān)系，即為色散曲線。即為色散曲線。插圖插圖6-14：色散曲線的特點：色散曲線的特點： 1、隨著波長值的變大，折射率值減小。、隨著波長值的變大，折射率值

10、減小。 2、短波段色散曲線斜率較大，角色散率較大。、短波段色散曲線斜率較大，角色散率較大。 3、波長一定，介質(zhì)的折射率越大，色散曲線斜率越大。、波長一定，介質(zhì)的折射率越大，色散曲線斜率越大。特點：特點：1、光譜線是非均勻排布的。、光譜線是非均勻排布的。 2、短波段的角色散率比長波段的大（可比較、短波段的角色散率比長波段的大（可比較a、c）。）。 3、折射率大則角色散率大，光譜展開得寬（比較、折射率大則角色散率大，光譜展開得寬（比較 a、b）。）。色散光譜：色散光譜：利用攝譜儀拍攝了幾種物質(zhì)的色散光譜如下：利用攝譜儀拍攝了幾種物質(zhì)的色散光譜如下：43 色散類型及方程色散類型及方程1正常色散：正常

11、色散： 特點：特點：波長波長 變大時，折射率值變大時，折射率值 n 變小，角色散率變小，角色散率d變小。變小。一切無色透明介質(zhì)在可見光區(qū)域均表現(xiàn)為一切無色透明介質(zhì)在可見光區(qū)域均表現(xiàn)為正常色散。正常色散。 描述正常色散時描述正常色散時 n 與與 關(guān)系的經(jīng)驗公式為科希方程：關(guān)系的經(jīng)驗公式為科希方程： a、b、c為由介質(zhì)特性決定的常數(shù)，由實驗得出。為由介質(zhì)特性決定的常數(shù)，由實驗得出。 當波長變化范圍不大時，科希方程可取近似形式：當波長變化范圍不大時，科希方程可取近似形式： 42cbandddnn,;,由上兩式可得：由上兩式可得： ,與正常色散曲線、光譜的與正常色散曲線、光譜的特點相吻合。特點相吻合。322bddnban2反常色散：反常色散： 在某些波段會出現(xiàn)，波長變大時折射率值增大的現(xiàn)象，這在某些波段會出現(xiàn)，波長變大時折射率值增大的現(xiàn)象，這稱為反常色散。稱為反常色散。 反常色散同樣是物質(zhì)的普遍性質(zhì)。反常色散與選擇吸收密反常