大學(xué)物理下-第15章 光和物質(zhì)相互作用ppt課件

1、15.1 分子光學(xué)的基本概念分子光學(xué)的基本概念(Concepts of molecule optics)一、一、 電偶極子模型電偶極子模型tqEF cos01物質(zhì)中物質(zhì)中帶電粒帶電粒子受力子受力 電場力電場力krF 2trFdd3 其他電荷給的彈性力其他電荷給的彈性力 電磁輻射阻尼力電磁輻射阻尼力2232dd2trmFFF tfrtrtr cosdd2dd02022 mk 0 固有頻率固有頻率m2 阻尼系數(shù)阻尼系數(shù)mqEf00 ( )cos()r tAt 穩(wěn)態(tài)解穩(wěn)態(tài)解光與物質(zhì)相互作用：光的散射、吸收和色散光與物質(zhì)相互作用：光的散射、吸收和色散1tEE cos0設(shè)：和物質(zhì)發(fā)生相互作用電磁波設(shè)：和

2、物質(zhì)發(fā)生相互作用電磁波E矢量矢量 2220202 fA穩(wěn)態(tài)解穩(wěn)態(tài)解2202tan 感生電偶極矩感生電偶極矩 22202022cos mtEqqrp當(dāng)當(dāng) 0 電偶極矩振幅最大電偶極矩振幅最大mqE /0 tAtrcos2 原子核、離子原子核、離子 慣性大，在頻率較低慣性大，在頻率較低 的紅外光中才能振動(dòng)。的紅外光中才能振動(dòng)。二、二、 帶電粒子分類帶電粒子分類重粒子重粒子輕粒子輕粒子電子電子 能在紫外光、可見光照射下振動(dòng)。能在紫外光、可見光照射下振動(dòng)。各向同性介質(zhì)：各向同性介質(zhì)： e 是常數(shù)是常數(shù)0epE Ep/一般電偶極矩一般電偶極矩 e: 分子的極化率分子的極化率各向異性介質(zhì)：各向異性介質(zhì)：

3、e 與外電場方向有關(guān)，是張量。與外電場方向有關(guān)，是張量。Ep、方向關(guān)系復(fù)雜。方向關(guān)系復(fù)雜。 物質(zhì)中大量靠得很近的原子分子，被同一列入射光激物質(zhì)中大量靠得很近的原子分子，被同一列入射光激發(fā)，形成的偶極子振動(dòng)所輻射的諸次波是相干的，次波與發(fā)，形成的偶極子振動(dòng)所輻射的諸次波是相干的，次波與入射波也是相干的。入射波也是相干的。3散散 射射41 sI一一. 純凈媒質(zhì)的分子散射純凈媒質(zhì)的分子散射15.2 光的散射光的散射(Scattering of light)當(dāng)光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時(shí)，從側(cè)當(dāng)光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時(shí)，從側(cè)面可以看到光，這個(gè)現(xiàn)象稱作光的散射。面可以看到光，這個(gè)現(xiàn)象稱作光的散射

4、。太陽光通過大氣層，空氣中分子對(duì)短波部分散射強(qiáng)度大，太陽光通過大氣層，空氣中分子對(duì)短波部分散射強(qiáng)度大，因此看天空是藍(lán)色。因此看天空是藍(lán)色。散射媒質(zhì)的不均勻度散射媒質(zhì)的不均勻度 a 的媒質(zhì)散射的媒質(zhì)散射瑞利散射瑞利散射 由于氣體分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，次級(jí)波源的分布雜亂無由于氣體分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，次級(jí)波源的分布雜亂無序，因此破壞了各波相位的相關(guān)性，產(chǎn)生散射。散射光序，因此破壞了各波相位的相關(guān)性，產(chǎn)生散射。散射光是非相干的。是非相干的。4清晨和傍晚，陽光通過大氣層的距離較中午長，短波被充清晨和傍晚，陽光通過大氣層的距離較中午長，短波被充分散射掉后，人們見到的太陽就是紅彤彤的。分散射掉后，人們見到的太

5、陽就是紅彤彤的。二二. 渾濁媒質(zhì)的散射渾濁媒質(zhì)的散射云層中的水汽對(duì)所有波長的光散射相同，故看到的是白色的云。云層中的水汽對(duì)所有波長的光散射相同，故看到的是白色的云。瑞利散瑞利散 射區(qū)射區(qū) a散射概率散射概率大顆粒媒質(zhì)散射對(duì)波長無選擇大顆粒媒質(zhì)散射對(duì)波長無選擇 在均勻氣體或液體在均勻氣體或液體 中，分布著大顆粒的液體或固體質(zhì)中，分布著大顆粒的液體或固體質(zhì)元；這些質(zhì)元的線度與光的波長相同或是更大些，這種混元；這些質(zhì)元的線度與光的波長相同或是更大些，這種混合物體稱為渾濁媒質(zhì)。合物體稱為渾濁媒質(zhì)。5宇航員在太空看宇航員在太空看到的天空和太陽。到的天空和太陽。在地球上，清晨陽光穿過大氣的距離較中午長，所

6、在地球上，清晨陽光穿過大氣的距離較中午長，所以被散射掉的短波成分更多以被散射掉的短波成分更多朝陽、夕陽呈紅色。朝陽、夕陽呈紅色。為什么我們看到為什么我們看到的天是藍(lán)色的？的天是藍(lán)色的？ 散射！散射！清晨清晨中午中午傍晚傍晚6宇航員看到的太空為什么是黑色的？為什么天空總是蔚藍(lán)色的？為什么早晨宇航員看到的太空為什么是黑色的？為什么天空總是蔚藍(lán)色的？為什么早晨或傍晚看到的太陽呈紅色而正午的太陽呈白色？如果地球表面沒有大氣，天或傍晚看到的太陽呈紅色而正午的太陽呈白色？如果地球表面沒有大氣，天空將是什么樣子？宇航員在太空中看到的天空又是什么樣子？空將是什么樣子？宇航員在太空中看到的天空又是什么樣子？7當(dāng)

7、光束通過光學(xué)性質(zhì)均勻的介質(zhì)如玻璃、純水時(shí)，在光束的側(cè)面觀察，幾乎看不當(dāng)光束通過光學(xué)性質(zhì)均勻的介質(zhì)如玻璃、純水時(shí)，在光束的側(cè)面觀察，幾乎看不到光，但當(dāng)一束太陽光射入有煙霧的室內(nèi)或混濁的水中時(shí)，我們從側(cè)面也可以看到光到光，但當(dāng)一束太陽光射入有煙霧的室內(nèi)或混濁的水中時(shí)，我們從側(cè)面也可以看到光束的行徑，這是由于光被混濁物質(zhì)中的小微粒向各個(gè)方向散射所致。大霧天能見度低束的行徑，這是由于光被混濁物質(zhì)中的小微粒向各個(gè)方向散射所致。大霧天能見度低是由于空氣中的液體粒子多而引起的強(qiáng)烈散射的結(jié)果。光的散射是指由于介質(zhì)中存在是由于空氣中的液體粒子多而引起的強(qiáng)烈散射的結(jié)果。光的散射是指由于介質(zhì)中存在微小粒子或分子對(duì)光

8、的作用，使光束偏離原來的傳播方向而向四周傳播的現(xiàn)象。微小粒子或分子對(duì)光的作用，使光束偏離原來的傳播方向而向四周傳播的現(xiàn)象。從太陽射來的光被大氣分子和天空的塵埃散射。藍(lán)光比紅光散射更強(qiáng)烈，故散射光中從太陽射來的光被大氣分子和天空的塵埃散射。藍(lán)光比紅光散射更強(qiáng)烈，故散射光中藍(lán)光占優(yōu)勢(shì)，仰望晴朗的天空，主要就是這些散射光進(jìn)入眼內(nèi)，這正是天空呈蔚藍(lán)色藍(lán)光占優(yōu)勢(shì)，仰望晴朗的天空，主要就是這些散射光進(jìn)入眼內(nèi)，這正是天空呈蔚藍(lán)色的原因。早晨或傍晚看到太陽呈紅色，是因?yàn)榇藭r(shí)太陽光幾乎平行于地面，穿過的大的原因。早晨或傍晚看到太陽呈紅色，是因?yàn)榇藭r(shí)太陽光幾乎平行于地面，穿過的大氣層最厚，散射效應(yīng)顯著，藍(lán)光被強(qiáng)烈

9、散射，僅剩下紅光到達(dá)地面，所以見到火紅的氣層最厚，散射效應(yīng)顯著，藍(lán)光被強(qiáng)烈散射，僅剩下紅光到達(dá)地面，所以見到火紅的朝陽或夕陽。中午太陽光穿過大氣層最薄，散射效應(yīng)相對(duì)較弱，看起來太陽呈白色。朝陽或夕陽。中午太陽光穿過大氣層最薄，散射效應(yīng)相對(duì)較弱，看起來太陽呈白色。如果地球表面沒有大氣層，就沒有大氣分子來散射太陽光，因而白天的天空將是一片如果地球表面沒有大氣層，就沒有大氣分子來散射太陽光，因而白天的天空將是一片漆黑，這時(shí)仰望天空，只能看見光輝奪目的太陽懸掛在漆黑的天空，還能看到閃爍的漆黑，這時(shí)仰望天空，只能看見光輝奪目的太陽懸掛在漆黑的天空，還能看到閃爍的星星，這與宇航員在太空中看到的景象一樣。星

10、星，這與宇航員在太空中看到的景象一樣。我們周圍的大部分物體如紅花、綠葉、青磚、黑瓦等能呈現(xiàn)它們各自顏色的原因是什我們周圍的大部分物體如紅花、綠葉、青磚、黑瓦等能呈現(xiàn)它們各自顏色的原因是什么呢？這是由于它們對(duì)各種顏色光的選擇吸收所致。例如：紅花中含有一種有機(jī)色素，么呢？這是由于它們對(duì)各種顏色光的選擇吸收所致。例如：紅花中含有一種有機(jī)色素，它可以吸收除紅光以外的所有顏色的光，只把紅光漫反射出來，故而呈紅色。綠葉中它可以吸收除紅光以外的所有顏色的光，只把紅光漫反射出來，故而呈紅色。綠葉中含有葉綠素，它可以吸收除綠光外其他顏色的光，只把綠光反射出來，所以葉子呈現(xiàn)含有葉綠素，它可以吸收除綠光外其他顏色的

11、光，只把綠光反射出來，所以葉子呈現(xiàn)綠色。綠色。三三. 拉曼散射拉曼散射光源光源散射物質(zhì)散射物質(zhì)光譜儀光譜儀 1 1 01 23 32 紫伴線紫伴線01 紅伴線紅伴線 0分子的固有頻率。分子的固有頻率。 3232 、；、 分子的固有頻率不止一個(gè)，分子的固有頻率不止一個(gè)，所以拉曼光譜中還有所以拉曼光譜中還有經(jīng)典解釋：散射分子無光照射時(shí)，也有分子電矩，并以固有頻經(jīng)典解釋：散射分子無光照射時(shí)，也有分子電矩，并以固有頻率振動(dòng)；當(dāng)有光照射時(shí)，光波的電場和固有電矩耦合就會(huì)有拉率振動(dòng)；當(dāng)有光照射時(shí)，光波的電場和固有電矩耦合就會(huì)有拉曼散射現(xiàn)象發(fā)生。曼散射現(xiàn)象發(fā)生。8紅伴線紅伴線 紫伴線紫伴線I0Ix0 x I

12、-dI x+dxxIIddxIIdd xIIdd xII00 xII 0lnxeII 0朗伯特定律朗伯特定律sa 真吸收真吸收散散 射射 xsaeII 0對(duì)于均勻介質(zhì)常溫下的液體和固體），光強(qiáng)衰減主要是真吸收；對(duì)于均勻介質(zhì)常溫下的液體和固體），光強(qiáng)衰減主要是真吸收；對(duì)于非均勻介質(zhì)和稀薄氣體，衰減光能量主要是由于散射。對(duì)于非均勻介質(zhì)和稀薄氣體，衰減光能量主要是由于散射。15.3 光的吸收光的吸收(Absorption of light)經(jīng)經(jīng) dx距離后光強(qiáng)增量距離后光強(qiáng)增量 dI：媒質(zhì)對(duì)各種波長的光的吸收程度相同，則為普遍吸收；媒質(zhì)對(duì)各種波長的光的吸收程度相同，則為普遍吸收；媒質(zhì)對(duì)不同波長的光的吸收程度不一樣，則為選擇吸收。媒質(zhì)對(duì)不同波長的光的吸收程度不一樣，則為選擇吸收。9光的強(qiáng)度隨著透入媒質(zhì)的深度的增加而減弱的現(xiàn)象，是由媒質(zhì)光的強(qiáng)度隨著透入媒質(zhì)的深度的增加而減弱的現(xiàn)象，是由媒質(zhì)對(duì)光能的吸收和向各個(gè)方向?qū)饽艿奈蘸拖蚋鱾€(gè)方向 散射而造成的。散