光學(xué)光的吸收色散散射實(shí)用教案

1、2021-11-29廷德爾散射(snsh)第1頁/共30頁第一頁，共31頁。2021-11-296.1 光的吸收(xshu)6.1.1 吸收(xshu)定律與復(fù)折射率一、吸收(xshu)定律光的吸收光通過介質(zhì)后出現(xiàn)的出射光強(qiáng)小于入射光強(qiáng)的現(xiàn)象。 設(shè)光通過厚度為dx 的介質(zhì)層時(shí)，光強(qiáng)由I 減少為I+dI，dI0，光強(qiáng)的相對(duì)減少量與吸收層的厚度成正比。1.布格-朗伯定律第2頁/共30頁第二頁，共31頁。2021-11-29dd ,IxI 為吸收系數(shù)。設(shè)x = 0時(shí),I=I0。對(duì)上式積分(jfn)得0( ).xI xI e光強(qiáng)按指數(shù)規(guī)律衰減，該式就是(jish)布格-朗伯定律的數(shù)學(xué)描述。定義(dng

2、y)：I0IIdIdxxx+dxlx00dd ,IxIIxI 0ln,IxI （1729年布格發(fā)現(xiàn), 1760年朗伯描述）第3頁/共30頁第三頁，共31頁。2021-11-292.比爾定律(dngl) 實(shí)驗(yàn)表明：在濃度(nngd)較低的溶液中，吸收系數(shù)與溶液濃度(nngd)C成正比， =AC。A為與溶液濃度(nngd)C無關(guān)的常數(shù)，表征物質(zhì)的分子特性。于是(ysh)朗伯定律可書為0( ).ACxI xI e（比爾定律）二、吸收與介質(zhì)折射率的關(guān)系復(fù)折射率在不考慮介質(zhì)對(duì)光的吸收時(shí),光學(xué)介質(zhì)的折射率為,cnv此時(shí)平面波在介質(zhì)中的行波方程（波函數(shù)）為第4頁/共30頁第四頁，共31頁。2021-11-2

3、9 當(dāng)考慮介質(zhì)的吸收時(shí)，波在介質(zhì)中傳播振幅(zhnf)要衰減。折射率應(yīng)視為復(fù)數(shù)：(1),nni0exp()exp().n xnxEitcc 吸收系數(shù)為24.nnc ).(exp)(exp),(00cnxtiEvxtiEtxE振幅衰減系數(shù)。0( , )exp()nxE x tEitc行波方程(fngchng)則書為2x0( ).xI xI e非吸收部分(b fen)表示相速和色散對(duì)比表示介質(zhì)吸收第5頁/共30頁第五頁，共31頁。2021-11-296.1.2 吸收(xshu)與波長的關(guān)系一、一般吸收(xshu)與選擇吸收(xshu)一般吸收： 值很小且不隨波長發(fā)生明顯變化，即呈現(xiàn)所謂(suwi)

4、“透明”狀態(tài)。選擇吸收： 值很大且隨波長發(fā)生急劇變化，即呈現(xiàn)“不透明”狀態(tài)。 除了真空以外，吸收普遍存在于一切介質(zhì)中，任何介質(zhì)都可發(fā)生兩種類型的吸收，關(guān)鍵取決于波長。 選擇吸收是電磁波與物質(zhì)相互作用的普遍規(guī)律，而一般吸收只具有相對(duì)意義。第6頁/共30頁第六頁，共31頁。2021-11-29二、吸收光譜(x shu un p)吸收光譜產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源所發(fā)的光，在通過介質(zhì)后產(chǎn)生吸收所形成(xngchng)的光譜。線狀光譜在吸收光譜(x shu un p)中出現(xiàn)了吸收線。帶狀光譜在吸收光譜中出現(xiàn)了吸收帶。水的吸收光譜第7頁/共30頁第七頁，共31頁。2021-11-29 原子(yunz)氣體吸收一

5、般為線狀光譜，且吸收線的位置恰好是該氣體發(fā)射光譜的譜線位置！固體(gt)、液體、分子氣體吸收一般為帶狀光譜。 同一物質(zhì)發(fā)射光譜(f sh un p)和吸收光譜之間存在相當(dāng)嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。即：某種物質(zhì)自身發(fā)射哪些波長的光，它就強(qiáng)烈地吸收那些波長的光。第8頁/共30頁第八頁，共31頁。2021-11-29幾種物質(zhì)較強(qiáng)的夫瑯和費(fèi)吸收譜線第9頁/共30頁第九頁，共31頁。2021-11-296.2 光的色散(ssn)6.2.1 色散概念(ginin)及其規(guī)律一、色散(ssn)的概念色散光通過介質(zhì)時(shí)，傳播速度隨光的頻率而變化，而不同波長的光具有不同的折射率的現(xiàn)象。色散曲線折射率隨波長變化的曲線。d

6、/dn色散率（折射率隨波長的變化率）。二、正常色散 折射率 n 與波長的關(guān)系是很復(fù)雜的，所以色散曲線一般由實(shí)驗(yàn)測得。第10頁/共30頁第十頁，共31頁。2021-11-29幾種常見(chn jin)光學(xué)材料的色散曲線第11頁/共30頁第十一頁，共31頁。2021-11-29正常(zhngchng)色散時(shí)折射率隨波長的增加而單調(diào)下降正常(zhngchng)色散的經(jīng)驗(yàn)公式 （柯西公式經(jīng)驗(yàn)公式）24.BCnA一般(ybn)取前兩項(xiàng)，近似為2.BnA微分上式得介質(zhì)的色散率為32.dnBd 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。（使用中取前兩項(xiàng)已足夠精確）（波長越長色散率越?。┑?2頁/共30頁

7、第十二頁，共31頁。2021-11-29三、反常(fnchng)色散 反常色散某些波長(bchng)段折射率出現(xiàn)隨波長(bchng)增大而增大的現(xiàn)象。 反常色散同樣是物質(zhì)的普遍性質(zhì)(xngzh)（反常色散不反常）。反常色散與選擇吸收密切相關(guān)，即發(fā)生于物質(zhì)的選擇吸收波段附近。描述反常色散下n與的經(jīng)驗(yàn)公式為塞耳邁耶爾方程222201.An A常數(shù)；0介質(zhì)分子固有振動(dòng)的波長。第13頁/共30頁第十三頁，共31頁。2021-11-29石英晶體在紅外區(qū)域中的反常色散特性(txng)曲線第14頁/共30頁第十四頁，共31頁。2021-11-29某種物質(zhì)的全部色散(ssn)曲線第15頁/共30頁第十五頁，共

8、31頁。2021-11-296.2.2 光的相速與群速相速與群速的概念(ginin)理想平面(pngmin)單色波的行波方程為cos().rEAtv式中v為波速，稱之為相速度，等相面（相位相同的點(diǎn)構(gòu)成(guchng)的面）的速度，等相位點(diǎn)往前推進(jìn)的速度。相速度是單色波所特有的一種速度。實(shí)際光波是多個(gè)單色波的疊加，故絕對(duì)單色波不存在。 實(shí)際光波在真空中（無色散的介質(zhì)中）傳播時(shí)，各單色光以相同的速度傳播，都等于相速度。光在真空傳播時(shí)，各單色波的合成波波形保持不變第16頁/共30頁第十六頁，共31頁。2021-11-29 實(shí)際光波在有色散的介質(zhì)中傳播，各單色光不會(huì)(b hu)以相同的速度傳播。合成波

9、（波群）的波形在傳播(chunb)過程中發(fā)生形變其現(xiàn)象(xinxing)和前面討論過的光學(xué)拍現(xiàn)象(xinxing)相似。E1tE2tEt第17頁/共30頁第十七頁，共31頁。2021-11-29 群速度等幅面（包絡(luò)(bo lu)面上相同點(diǎn)構(gòu)成的面）的傳播速度。仍以光學(xué)拍現(xiàn)象討論（結(jié)果(ji gu)可推廣）0002cos()cos(),2222kEEztkzt0222kzt常數(shù),等幅面：等相面：02kzt常數(shù).d,dgzvtkd.dpzvtk兩式兩邊(lingbin)微分得群速度相速度在真空中群速度等于相速度群速度可以超光速第18頁/共30頁第十八頁，共31頁。2021-11-296.3 光的散

10、射(snsh) 光的散射光通過某些介質(zhì)（光學(xué)性質(zhì)不均勻）時(shí)，在偏離正常傳播(chunb)方向上有光出射的現(xiàn)象。光學(xué)性質(zhì)不均勻：介質(zhì)(jizh)中的雜質(zhì)微?；蚪橘|(zhì)(jizh)本身的不均勻結(jié)構(gòu)或分子的漲落。產(chǎn)生散射的原因可用次波疊加原理解釋。散射可改變?nèi)肷涔獾墓鈴?qiáng)空間分布、偏振態(tài)或頻率頻率不改變的散射有：瑞利散射、米氏散射、廷德爾散射。頻率改變的散射有：拉曼散射、布里淵散射。第19頁/共30頁第十九頁，共31頁。2021-11-296.3.1瑞利散射(snsh)、米氏散射(snsh)及廷德爾（大粒子）散射(snsh)一、瑞利散射 瑞利散射發(fā)生于混濁介質(zhì)(jizh)中。原因是在均勻介質(zhì)(jizh)中

11、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。散射可使光強(qiáng)減小，光強(qiáng)衰減(shui jin)由下式?jīng)Q定()0( ).lI lI e 為散射系數(shù)；+為衰減系數(shù)。為吸收系數(shù)；第20頁/共30頁第二十頁，共31頁。2021-11-29瑞利散射有以下(yxi)特點(diǎn)：1.散射光的波長與入射光的波長相同(xin tn)（光頻不變的散射）。2.散射光的強(qiáng)度(qingd)與波長的四次方成反比。41,I瑞利散射定律3.散射光的光強(qiáng)（自然光入射）2/2( )(1 cos).II（方向的光強(qiáng)）指的是觀察方向與入射方向的夾角。I/2表示與入射光垂直方向的光強(qiáng)。散射的光強(qiáng)是角度的函數(shù)xz散射光方向第21頁/共3

12、0頁第二十一頁，共31頁。2021-11-29蔚藍(lán)色的天空是空氣分子(fnz)漲落引起的瑞利散射第22頁/共30頁第二十二頁，共31頁。2021-11-29 4.自然光入射時(shí)，各方向的散射光一般(ybn)為部分偏振光，在垂直入射光方向上的散射光為線偏振光，沿入射光方向或其逆方向的散射光仍為自然光。實(shí)驗(yàn) zx第23頁/共30頁第二十三頁，共31頁。2021-11-29炎炎夏日，很多人外出都戴上太陽鏡。有一種(y zhn)太陽鏡叫偏光鏡，利用了什么原理？有沒有鑒別偏光太陽鏡的簡便方法？第24頁/共30頁第二十四頁，共31頁。2021-11-29二、米氏散射(snsh)及廷德爾（大粒子）散射(sns

13、h) 當(dāng)粒子的限度接近(jijn)或大于光波波長時(shí)，瑞利散射規(guī)律不再成立。 當(dāng)粒子的線度 a 與波長(bchng) 差不多時(shí)，這樣的散射稱為米氏散射. （a /在0.1-10m之間）散射光的光強(qiáng)隨波長的減小而逐漸減弱第25頁/共30頁第二十五頁，共31頁。2021-11-29米氏散射與天空(tinkng)的景象 米氏散射理論在大氣光學(xué)(gungxu)中占重要地位，它是人工降雨的理論基礎(chǔ)。第26頁/共30頁第二十六頁，共31頁。2021-11-29 也就是說，當(dāng)a/增大到一定程度以后散射光強(qiáng)強(qiáng)度(qingd)隨該比值的增大出現(xiàn)起伏，交替的出現(xiàn)極大和極小值，起伏的幅度隨比值的增大而逐漸減小。 當(dāng)粒

14、子足夠大時(shí)，散射光的光強(qiáng)與 基本無關(guān)(wgun)，這種散射稱為廷德爾散射大粒子散射。6.3.2 拉曼散射(snsh) 當(dāng)光通過介質(zhì)時(shí)，散射光中除有原入射光頻率之外，又出現(xiàn)在入射光頻率兩側(cè)對(duì)稱分布的新的頻率的現(xiàn)象，稱為拉曼散射或聯(lián)合散射。第27頁/共30頁第二十七頁，共31頁。2021-11-29拉曼散射的主要(zhyo)特征： 1.在頻率(pnl)為v0 的原始入射譜線 (稱為瑞利譜線) 兩側(cè)還有頻率(pnl)為v0 v1 ， v0 v2 等散射譜線 (拉曼譜線), v1 、 v2 等稱為拉曼頻率(pnl)。在長波(chngb)一側(cè)的稱為紅伴線 (v0 - v1) 或斯托克斯線。在短波一側(cè)的稱為紫伴線 ( v0 +v1) 或反斯托克斯線。 2.瑞利譜線和拉曼譜線總是同時(shí)出現(xiàn)，相應(yīng)的散射光強(qiáng)，前者比后者大約高三個(gè)數(shù)量級(jí)。 3.拉曼頻率與入射光頻率無關(guān)，它等于分子的固有振動(dòng)頻率。一般在紅外波段。第28頁/共30頁第二十八頁，共31頁。2021-11-29濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院(xuyun)第29頁/共30頁第二十九頁，共31頁。2021-11-29謝謝您的觀看(gunkn)！第30頁/共30頁第三