光的吸收色散和散射課件

第9章光波與物質(zhì)的相互作用光的吸收光的色散光的散射光在介質(zhì)中的非線性效應(yīng)第9章光波與物質(zhì)的相互作用光的吸收19.1光的吸收一、線性吸收規(guī)律光強(qiáng)不是很大時(shí)，被吸收的能量、即被吸收的光強(qiáng)，與吸收體的厚度成正比。吸收系數(shù)Bougure定律(1729)或Lambert定律(1760)對(duì)于溶液濃度Beer定律（1852年）9.1光的吸收一、線性吸收規(guī)律吸收系數(shù)Bougure定律(2二、吸收的數(shù)學(xué)表示平面光波的表達(dá)式由于吸收，光波的振幅隨距離衰減復(fù)折射率光強(qiáng)復(fù)折射率的虛部反映了由于介質(zhì)對(duì)波的吸收而引起的衰減二、吸收的數(shù)學(xué)表示平面光波的表達(dá)式復(fù)折射率光強(qiáng)復(fù)折射率的虛3三、吸收系數(shù)與波長的關(guān)系1、普遍吸收：吸收系數(shù)與波長無關(guān)，吸收后所有成分的光強(qiáng)改變。這種情況實(shí)際上是不存在的，有一些物質(zhì)僅僅對(duì)某一波段的光波均勻吸收例如可以認(rèn)為純凈的空氣和玻璃對(duì)可見光普遍吸收，即白光經(jīng)過后顏色不變。2、選擇吸收：介質(zhì)對(duì)不同波長的光有不同的吸收系數(shù)，α＝α（λ）三、吸收系數(shù)與波長的關(guān)系1、普遍吸收：吸收系數(shù)與波長無關(guān)，吸4白光經(jīng)過一定厚度介質(zhì)之后，吸收系數(shù)隨波長變化暗線吸收光譜單色儀入射光（白光）吸收體（樣品）透射光入射狹縫出射狹縫光電探測(cè)器記錄儀器吸收光譜白光經(jīng)過一定厚度介質(zhì)之后，吸收系數(shù)隨波長變化暗線吸收光譜單色5選擇吸收反映了物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)介質(zhì)中的原子吸收入射光，發(fā)生躍遷能級(jí)間隔與入射光子能量匹配，受激吸收帶狀譜線狀譜吸收帶孤立原子固體中稀土離子分立能級(jí)凝聚態(tài)物質(zhì)能帶吸收線選擇吸收反映了物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)介質(zhì)中的原子吸收入射光，發(fā)生躍遷6大氣窗口與溫室氣體大氣層對(duì)不同波段的電磁輻射選擇吸收大氣窗口與溫室氣體大氣層對(duì)不同波段的電磁輻射選擇吸收7大氣層對(duì)電磁輻射的吸收曲線大氣層對(duì)電磁輻射的吸收曲線8紅外窗口在紅外波段，大氣層呈現(xiàn)明顯的選擇吸收某些紅外輻射可以穿透大氣層，被稱作紅外窗口紅外窗口對(duì)地球保持適宜的溫度至關(guān)重要如果紅外窗口變小，則由于紅外輻射難以通過大氣層，會(huì)導(dǎo)致地球溫度上升。這就是溫室效應(yīng)（Greenhouseeffect）紅外窗口在紅外波段，大氣層呈現(xiàn)明顯的選擇吸收9溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)10光的吸收色散和散射課件11大氣和地面的太陽輻射譜大氣和地面的太陽輻射譜12PatternofabsorptionbandsgeneratedbyvariousgreenhousegasesandtheirimpactonbothsolarradiationandupgoingthermalradiationfromtheEarth'ssurface.Notethatagreaterquantityofupgoingradiationisabsorbed,whichcontributestothegreenhouseeffect.Patternofabsorptionbandsge13溫室氣體大氣層中吸收紅外輻射的氣體中要有：水蒸汽（H2O）、二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氟氯化碳（CFCs）、全氟碳化物（PFCs）、氫氟碳化物（HFCs），含氯氟烴（HCFCs）及六氟化硫（SF6），等等溫室效應(yīng)中，各種氣體的作用各不相同，其中水氣36~70%，二氧化碳9~26%，甲烷4~9%，臭氧3~7%溫室氣體大氣層中吸收紅外輻射的氣體中要有：14PoundsofcarbondioxideemittedpermillionBritishthermalunitsofenergyforvariousfuelsFuelnameCO2emitted(lbs/106Btu)

CO2emitted(g/106J)

Naturalgas11750.30Liquefiedpetroleumgas13959.76Propane13959.76Aviationgasoline15365.78Automobilegasoline15667.07Kerosene15968.36Fueloil16169.22Tires/tirederivedfuel18981.26Woodandwoodwaste19583.83Coal(bituminous)20588.13Coal(subbituminous)21391.57Coal(lignite)21592.43Petroleumcoke22596.73Coal(anthracite)22797.59Poundsofcarbondioxideemitt15地球變暖工業(yè)化之后溫室氣體的增加氣體工業(yè)化之前當(dāng)前

自1750年來增量輻射強(qiáng)度(W/m2)CO2280ppm387ppm104ppm1.46CH4700ppb1,745ppb1,045ppb0.48N2O270ppb314ppb44ppb0.15CFC-120533ppt533ppt0.17地球變暖工業(yè)化之后溫室氣體的增加氣體工業(yè)化之前當(dāng)前

自1716Increasingatmosphericcarbondioxidelevelsasmeasuredintheatmosphereandreflectedinicecores.Theamountofnetcarbonincreaseintheatmosphere,comparedtocarbonemissionsfromburningfossilfuelIncreasingatmosphericcarbon17Theprojectedtemperatureincreaseforarangeofgreenhousegasstabilizationscenarios(thecolouredbands).Theblacklineinmiddleoftheshadedareaindicates'bestestimates';theredandthebluelinesthelikelylimits.FromtheworkofIPCCAR4,2007Theprojectedtemperatureincr18光的吸收色散和散射課件19Globalanthropogenicgreenhousegasemissionsbrokendowninto8differentsectorsfortheyear2000Globalanthropogenicgreenhous20光的吸收色散和散射課件212000年各地區(qū)人均溫室氣體排放量2000年各地區(qū)人均溫室氣體排放量222000年各地區(qū)溫室氣體密度分布2000年各地區(qū)溫室氣體密度分布232000年各地區(qū)人均CO2排放量2000年各地區(qū)人均CO2排放量242000年各地區(qū)溫室氣體排放量2000年各地區(qū)溫室氣體排放量25MeasurementsofPollutionintheTroposphere2000globalcarbonmonoxide

April30,2000October30,2000MeasurementsofPollutionint26IncreasingwatervaporinthestratosphereatBoulder,Colorado.Increasingwatervaporinthe27物體的顏色物體由于對(duì)光的吸收不同，而呈現(xiàn)出不同的顏色發(fā)光體由于輻射波長范圍的不同，也呈現(xiàn)出不同的顏色物體的顏色物體由于對(duì)光的吸收不同，而呈現(xiàn)出不同的顏色28色坐標(biāo)與色度學(xué)色坐標(biāo)與色度學(xué)29光與色色光加色混合法顏料減色混合法光與色色光加色混合法顏料減色混合法30CRT三基色熒光粉發(fā)射光譜CRT三基色熒光粉發(fā)射光譜31剛玉紅寶石藍(lán)寶石黃色白寶石剛玉紅寶石藍(lán)寶石黃色白寶石32三基色相加混合紅＋青＝白紅＋綠＝黃藍(lán)＋黃＝白綠＋藍(lán)＝青綠＋品紅＝白紅＋藍(lán)＝品紅紅＋綠＋藍(lán)＝白彩色顯示器顯示單元XYZ色度圖三基色相加混合彩色顯示器顯示單元XYZ色度圖33red(●)+green(●)=yellow(●)green(●)+blue(●)=cyan(●)blue(●)+red(●)=magenta(●)Light(RGB)red(●)+green(●)=yellow(●)green34Pigment(CMY)Cyan(●)+magenta(●)=blue(●)Magenta(●)+yellow(●)=red(●)yellow(●)+cyan(●)=green(●)Pigment(CMY)Cyan(●)+magenta(35Light(RYB)red(●)+yellow(●)=orange(●)yellow(●)+blue(●)=green(●)blue(●)+red(●)=violet(●)Light(RYB)red(●)+yellow(●)=o36基色、二級(jí)色、三級(jí)色基色、二級(jí)色、三級(jí)色379.2光的色散光在媒質(zhì)中的傳播速度或折射率隨波長改變，稱為色散。不是由于衍射而引起。色散率

色散規(guī)律9.2光的色散光在媒質(zhì)中的傳播速度或折射率隨波長改變，稱38牛頓正交棱鏡實(shí)驗(yàn)

不同介質(zhì)的色散曲線牛頓正交棱鏡實(shí)驗(yàn)λn色散曲線牛頓正交棱鏡實(shí)驗(yàn)不同介質(zhì)的色散曲線牛頓正交棱鏡實(shí)驗(yàn)λn色散39正常色散的科希公式（經(jīng)驗(yàn)公式）通?？梢匀∏皟身?xiàng)A，B，C是與材料有關(guān)的常數(shù)正常色散的科希公式（經(jīng)驗(yàn)公式）通常可以取前兩項(xiàng)A，B，C是與40吸收帶在吸收帶中，光不能通過，無法測(cè)折射率光的色散在這一區(qū)域的表現(xiàn)被稱為反常色散反常色散吸收帶在吸收帶中，光不能通過，無法測(cè)折射率光的色散在這一區(qū)域41吸收和色散的經(jīng)典理論當(dāng)電荷的運(yùn)動(dòng)速度、方向改變時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)、并向外輻射電磁波原子、分子核外電子都被束縛在原子附近。在外場(chǎng)的作用下，正負(fù)電中心分離，介質(zhì)被極化，形成電偶極子。將電偶極子作為彈性振子處理，電偶極子在入射光電場(chǎng)的作用下，將會(huì)作受迫振動(dòng)，并輻射出電磁波。這就是經(jīng)典的受激原子發(fā)光的洛侖茲模型。吸收和色散的經(jīng)典理論當(dāng)電荷的運(yùn)動(dòng)速度、方向改變時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生42電偶極子的極化電偶極子在外場(chǎng)的作用下做受迫振動(dòng)阻尼項(xiàng)極化強(qiáng)度極化率相對(duì)介電常量折射率電偶極子的極化電偶極子在外場(chǎng)的作用下做受迫振動(dòng)阻尼項(xiàng)極化43折射率復(fù)折射率實(shí)部虛部折射率復(fù)折射率實(shí)部虛部44在損耗很低的情況下介質(zhì)的折射率可能大于1，也可能小于1，甚至可能是負(fù)值n隨著ω增加而增加，正常色散區(qū)域共振吸收n隨著ω增加而減小，反常色散區(qū)域X射線在介質(zhì)中的折射率小于1在損耗很低的情況下介質(zhì)的折射率可能大于1，也可能小于1，甚459.3光的散射光在不均勻媒質(zhì)中產(chǎn)生散射。介質(zhì)中的帶電粒子都對(duì)入射的光波進(jìn)行散射如果粒子均勻分布，則所有散射波疊加的結(jié)果，只剩下沿入射方向的光波。所以，對(duì)于均勻分布的介質(zhì)，不必計(jì)入散射。9.3光的散射光在不均勻媒質(zhì)中產(chǎn)生散射。46散射的分類懸浮質(zhì)點(diǎn)的散射

分子散射散射定律瑞利散射：當(dāng)散射體的尺寸小于波長時(shí)，散射光強(qiáng)∝(1/λ)4米—德拜散射：散射體顆粒度遠(yuǎn)大于波長時(shí)，散射光強(qiáng)對(duì)波長的依賴性不強(qiáng)。散射的分類懸浮質(zhì)點(diǎn)的散射

分子散射47瑞利區(qū)米氏區(qū)散射幾率0.010.1110100RayleighScatterMie-DebyeScatter

瑞利區(qū)米氏區(qū)散射幾率0.010.1110100Rayleig48大氣層的瑞利散射大氣層的瑞利散射49天空的顏色直視太陽，進(jìn)入眼睛的主要是被大氣散射之后透射過來的光巡視天空，進(jìn)入眼睛的是陽光經(jīng)大氣散射之后的光天空的顏色直視太陽，進(jìn)入眼睛的主要是被大氣散射之后透射過來的50日落處變紅，遠(yuǎn)處天空藍(lán)色，都是由于瑞利散射日落處變紅，遠(yuǎn)處天空藍(lán)色，都是由于瑞利散射51日落，透射光與散射光日落，透射光與散射光52Coloradosky瑞利散射形成的藍(lán)天Coloradosky瑞利散射形成的藍(lán)天53攝于內(nèi)蒙沙漠上空，地平線處白色是由于米·德拜散射攝于內(nèi)蒙沙漠上空，地平線處白色是由于米·德拜散射54散射的方向性散射光的強(qiáng)度、偏振都與方向有光散射的方向性散射光的強(qiáng)度、偏振都與方向有光55強(qiáng)光在介質(zhì)中的非線性電極化效應(yīng)入射光強(qiáng)較大，介質(zhì)中線形關(guān)系不再成立單色強(qiáng)光入射線性電極化強(qiáng)度二次非線性電極化強(qiáng)度基波二次諧波強(qiáng)光在介質(zhì)中的非線性電極化效應(yīng)入射光強(qiáng)較大，介質(zhì)中線形關(guān)系不56和頻與差頻兩列不同頻率的強(qiáng)光入射二次非線性電極化強(qiáng)度二倍頻成分和頻成分差頻成分和頻與差頻兩列不同頻率的強(qiáng)光入射二次非線性電極化強(qiáng)度二倍57倍頻晶體與二次諧波裝置相位匹配倍頻晶體與二次諧波裝置相位匹配58第9章光波與物質(zhì)的相互作用光的吸收光的色散光的散射光在介質(zhì)中的非線性效應(yīng)第9章光波與物質(zhì)的相互作用光的吸收599.1光的吸收一、線性吸收規(guī)律光強(qiáng)不是很大時(shí)，被吸收的能量、即被吸收的光強(qiáng)，與吸收體的厚度成正比。吸收系數(shù)Bougure定律(1729)或Lambert定律(1760)對(duì)于溶液濃度Beer定律（1852年）9.1光的吸收一、線性吸收規(guī)律吸收系數(shù)Bougure定律(60二、吸收的數(shù)學(xué)表示平面光波的表達(dá)式由于吸收，光波的振幅隨距離衰減復(fù)折射率光強(qiáng)復(fù)折射率的虛部反映了由于介質(zhì)對(duì)波的吸收而引起的衰減二、吸收的數(shù)學(xué)表示平面光波的表達(dá)式復(fù)折射率光強(qiáng)復(fù)折射率的虛61三、吸收系數(shù)與波長的關(guān)系1、普遍吸收：吸收系數(shù)與波長無關(guān)，吸收后所有成分的光強(qiáng)改變。這種情況實(shí)際上是不存在的，有一些物質(zhì)僅僅對(duì)某一波段的光波均勻吸收例如可以認(rèn)為純凈的空氣和玻璃對(duì)可見光普遍吸收，即白光經(jīng)過后顏色不變。2、選擇吸收：介質(zhì)對(duì)不同波長的光有不同的吸收系數(shù)，α＝α（λ）三、吸收系數(shù)與波長的關(guān)系1、普遍吸收：吸收系數(shù)與波長無關(guān)，吸62白光經(jīng)過一定厚度介質(zhì)之后，吸收系數(shù)隨波長變化暗線吸收光譜單色儀入射光（白光）吸收體（樣品）透射光入射狹縫出射狹縫光電探測(cè)器記錄儀器吸收光譜白光經(jīng)過一定厚度介質(zhì)之后，吸收系數(shù)隨波長變化暗線吸收光譜單色63選擇吸收反映了物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)介質(zhì)中的原子吸收入射光，發(fā)生躍遷能級(jí)間隔與入射光子能量匹配，受激吸收帶狀譜線狀譜吸收帶孤立原子固體中稀土離子分立能級(jí)凝聚態(tài)物質(zhì)能帶吸收線選擇吸收反映了物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)介質(zhì)中的原子吸收入射光，發(fā)生躍遷64大氣窗口與溫室氣體大氣層對(duì)不同波段的電磁輻射選擇吸收大氣窗口與溫室氣體大氣層對(duì)不同波段的電磁輻射選擇吸收65大氣層對(duì)電磁輻射的吸收曲線大氣層對(duì)電磁輻射的吸收曲線66紅外窗口在紅外波段，大氣層呈現(xiàn)明顯的選擇吸收某些紅外輻射可以穿透大氣層，被稱作紅外窗口紅外窗口對(duì)地球保持適宜的溫度至關(guān)重要如果紅外窗口變小，則由于紅外輻射難以通過大氣層，會(huì)導(dǎo)致地球溫度上升。這就是溫室效應(yīng)（Greenhouseeffect）紅外窗口在紅外波段，大氣層呈現(xiàn)明顯的選擇吸收67溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)68光的吸收色散和散射課件69大氣和地面的太陽輻射譜大氣和地面的太陽輻射譜70PatternofabsorptionbandsgeneratedbyvariousgreenhousegasesandtheirimpactonbothsolarradiationandupgoingthermalradiationfromtheEarth'ssurface.Notethatagreaterquantityofupgoingradiationisabsorbed,whichcontributestothegreenhouseeffect.Patternofabsorptionbandsge71溫室氣體大氣層中吸收紅外輻射的氣體中要有：水蒸汽（H2O）、二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氟氯化碳（CFCs）、全氟碳化物（PFCs）、氫氟碳化物（HFCs），含氯氟烴（HCFCs）及六氟化硫（SF6），等等溫室效應(yīng)中，各種氣體的作用各不相同，其中水氣36~70%，二氧化碳9~26%，甲烷4~9%，臭氧3~7%溫室氣體大氣層中吸收紅外輻射的氣體中要有：72PoundsofcarbondioxideemittedpermillionBritishthermalunitsofenergyforvariousfuelsFuelnameCO2emitted(lbs/106Btu)

CO2emitted(g/106J)

Naturalgas11750.30Liquefiedpetroleumgas13959.76Propane13959.76Aviationgasoline15365.78Automobilegasoline15667.07Kerosene15968.36Fueloil16169.22Tires/tirederivedfuel18981.26Woodandwoodwaste19583.83Coal(bituminous)20588.13Coal(subbituminous)21391.57Coal(lignite)21592.43Petroleumcoke22596.73Coal(anthracite)22797.59Poundsofcarbondioxideemitt73地球變暖工業(yè)化之后溫室氣體的增加氣體工業(yè)化之前當(dāng)前

自1750年來增量輻射強(qiáng)度(W/m2)CO2280ppm387ppm104ppm1.46CH4700ppb1,745ppb1,045ppb0.48N2O270ppb314ppb44ppb0.15CFC-120533ppt533ppt0.17地球變暖工業(yè)化之后溫室氣體的增加氣體工業(yè)化之前當(dāng)前

自1774Increasingatmosphericcarbondioxidelevelsasmeasuredintheatmosphereandreflectedinicecores.Theamountofnetcarbonincreaseintheatmosphere,comparedtocarbonemissionsfromburningfossilfuelIncreasingatmosphericcarbon75Theprojectedtemperatureincreaseforarangeofgreenhousegasstabilizationscenarios(thecolouredbands).Theblacklineinmiddleoftheshadedareaindicates'bestestimates';theredandthebluelinesthelikelylimits.FromtheworkofIPCCAR4,2007Theprojectedtemperatureincr76光的吸收色散和散射課件77Globalanthropogenicgreenhousegasemissionsbrokendowninto8differentsectorsfortheyear2000Globalanthropogenicgreenhous78光的吸收色散和散射課件792000年各地區(qū)人均溫室氣體排放量2000年各地區(qū)人均溫室氣體排放量802000年各地區(qū)溫室氣體密度分布2000年各地區(qū)溫室氣體密度分布812000年各地區(qū)人均CO2排放量2000年各地區(qū)人均CO2排放量822000年各地區(qū)溫室氣體排放量2000年各地區(qū)溫室氣體排放量83MeasurementsofPollutionintheTroposphere2000globalcarbonmonoxide

April30,2000October30,2000MeasurementsofPollutionint84IncreasingwatervaporinthestratosphereatBoulder,Colorado.Increasingwatervaporinthe85物體的顏色物體由于對(duì)光的吸收不同，而呈現(xiàn)出不同的顏色發(fā)光體由于輻射波長范圍的不同，也呈現(xiàn)出不同的顏色物體的顏色物體由于對(duì)光的吸收不同，而呈現(xiàn)出不同的顏色86色坐標(biāo)與色度學(xué)色坐標(biāo)與色度學(xué)87光與色色光加色混合法顏料減色混合法光與色色光加色混合法顏料減色混合法88CRT三基色熒光粉發(fā)射光譜CRT三基色熒光粉發(fā)射光譜89剛玉紅寶石藍(lán)寶石黃色白寶石剛玉紅寶石藍(lán)寶石黃色白寶石90三基色相加混合紅＋青＝白紅＋綠＝黃藍(lán)＋黃＝白綠＋藍(lán)＝青綠＋品紅＝白紅＋藍(lán)＝品紅紅＋綠＋藍(lán)＝白彩色顯示器顯示單元XYZ色度圖三基色相加混合彩色顯示器顯示單元XYZ色度圖91red(●)+green(●)=yellow(●)green(●)+blue(●)=cyan(●)blue(●)+red(●)=magenta(●)Light(RGB)red(●)+green(●)=yellow(●)green92Pigment(CMY)Cyan(●)+magenta(●)=blue(●)Magenta(●)+yellow(●)=red(●)yellow(●)+cyan(●)=green(●)Pigment(CMY)Cyan(●)+magenta(93Light(RYB)red(●)+yellow(●)=orange(●)yellow(●)+blue(●)=green(●)blue(●)+red(●)=violet(●)Light(RYB)red(●)+yellow(●)=o94基色、二級(jí)色、三級(jí)色基色、二級(jí)色、三級(jí)色959.2光的色散光在媒質(zhì)中的傳播速度或折射率隨波長改變，稱為色散。不是由于衍射而引起。色散率

色散規(guī)律9.2光的色散光在媒質(zhì)中的傳播速度或折射率隨波長改變，稱96牛頓正交棱鏡實(shí)驗(yàn)

不同介質(zhì)的色散曲線牛頓正交棱鏡實(shí)驗(yàn)λn色散曲線牛頓正交棱鏡實(shí)驗(yàn)不同介質(zhì)的色散曲線牛頓正交棱鏡實(shí)驗(yàn)λn色散97正常色散的科希公式（經(jīng)驗(yàn)公式）通常可以取前兩項(xiàng)A，B，C是與材料有關(guān)的常數(shù)正常色散的科希公式（經(jīng)驗(yàn)公式）通?？梢匀∏皟身?xiàng)A，B，C是與98吸收帶在吸收帶中，光不能通過，無法測(cè)折射率光的色散在這一區(qū)域的表現(xiàn)被稱為反常色散反常色散吸收帶在吸收帶中，光不能通過，無法測(cè)折射率光的色散在這一區(qū)域99吸收和色散的經(jīng)典理論當(dāng)電荷的運(yùn)動(dòng)速度、方向改變時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)、并向外輻射電磁波原子、分子核外電子都被束縛在原子附近。在外場(chǎng)的作用下，正負(fù)電中心分離，介質(zhì)被極化，形成電偶極子。將電偶極子作為彈性振子處理，電偶極子在入射光電場(chǎng)的作用下，將會(huì)作受迫振動(dòng)，并輻射出電磁波。這就是經(jīng)典的受激原子發(fā)光的洛侖茲模型。吸收和色散的經(jīng)典理論當(dāng)電荷的運(yùn)動(dòng)速度、方向改變時(shí)