物理光學課件：1_4光的吸收色散和散射

1、1.9節(jié) 光的吸收、色散和散射,開始涉及光和物質(zhì)的相互作用。,光的吸收、色散和散射嚴格的理論解釋需要利用量子理論，但通常情況下，用經(jīng)典的電偶極輻射模型也可以給出較為直觀而簡明的定性解釋及相應的物理圖像。,洛侖茲(Lorentz)的電子論,光的吸收光能的損耗,光的吸收有兩種：一般吸收和選擇吸收。,一般吸收是物質(zhì)對光能的吸收很少，吸收系數(shù)與波長無關，并且對某一波段的光的吸收量幾乎一樣。在可見光范圍內(nèi)，意味著光束通過媒質(zhì)后只改變強度，不改變顏色。如：空氣、純水、無色玻璃等媒質(zhì)。,選擇吸收是物質(zhì)對光能的吸收很多，并且隨波長的變化而劇烈變化。由于可見光進行選擇吸收，會使白光變?yōu)椴噬狻＝^大部分物體呈現(xiàn)顏

2、色，都是其表面或體內(nèi)對可見光進行選擇吸收的結(jié)果。,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：光能振動能 熱能。,(一) 物質(zhì)對光吸收的一般規(guī)律 朗伯定律： 設光通過厚度為dx的介質(zhì)層時， 光強由I減少為（IdI），則有： 成立， 積分可得通過厚度為L的介質(zhì)后的光強 I ，,I0,I,I-dI,dx,x,x+dx,l,X, 吸收系數(shù), 單位長度上的光強吸收率,這就是布格爾定律或朗伯定律。,布格爾定律或朗伯定律，它是布格爾 ( P. Bouguer, 1698 1758 ) 在1729年發(fā)現(xiàn)的，朗伯 ( J.H. Lambert, 1728 177

3、7 )在1760年重新作了表述。,僅適用于稀釋溶液。,選擇吸收是光和物質(zhì)相互作用的普遍規(guī)律，由于選擇吸收，任何光學材料在紫外和紅外端都有一定的透光極限，這一點對于制作分光儀器中的棱鏡，透鏡材料選取顯得非常重要。,(二) 吸收的波長選擇性,光的吸收,（1）對于可見光來說,各種物質(zhì)的吸收系數(shù) 金屬 、玻璃 （2）吸收的波長選擇性 如大氣中：紅外水、CO2 ；紫外臭氧 （3）吸收帶的線寬問題 對于液體和固體，吸收帶都比較寬，而對于氣體則比較窄，通常只有103nm量級。,光吸收舉例,玻璃：對可見光透明，對紫 外、紅外不透明 ( 吸收 ) 隔著玻璃曬太陽？,橡皮：對可見光不透明（吸收），對紅外光透明.,

4、混泥土：對可見光不透明（吸收），對無線電波透明.,樹木: 對綠光反射，對其它光吸收.,玻璃之所以透明，是因為能被312nm - 1050nm 電磁波透過，312nm-1050nm 的電磁就是我們?nèi)搜劭梢姷墓猓?鐵板之所以是不透明的，是因為其不能被312nm - 1050nm 電磁波透過，但是波長更短的電磁波卻可以透過它，比如X射線，對于X射線來說，鐵板其實就是透明的. 如果我們?nèi)搜勰軌蚪邮誜射線的話，那對于大多數(shù)物質(zhì)來說 就是透視眼了。但是對于很厚的鉛板，又不是透明的了。 所以透明是一個相對的概念。是由其內(nèi)部原子結(jié)構和電磁波穿透力決定的。,二,光的色散,光的色散的定義： 光在物質(zhì)中傳播時，其折

5、射率（傳播速度）隨光波頻率（波長）而變的現(xiàn)象。 光的色散分兩種：正常色散、反常色散。,正常色散:折射率隨光波長的增大而減少,其色散曲線 呈單調(diào)下降。,色散率：dn/dl，介質(zhì)的折射率隨波長的變化率,正常色散：dn/dl0，出現(xiàn)于介質(zhì)的一般吸收光譜區(qū)域,反常色散：dn/dl0，出現(xiàn)于介質(zhì)的選擇吸收光譜區(qū)域,(2) 準確測定法,利用最小偏向角原理，分別測量出棱鏡物質(zhì)對不同波長單色光的折射率，從而精確地得到n(l) 曲線。,實驗色散曲線,介質(zhì)的色散曲線,描述正常色散時折射率n 與波長 關系的經(jīng)驗公式為科希方程：,正常色散的特點：,（1）波長越短，折射率越大；,（2）波長越短， 越大；,（4）不同物質(zhì)

6、的色散曲線沒有簡單的相似關系。,a、b、c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,由上兩式可得： , 與正常色散曲線、光譜的 特點相吻合。,石英的色散曲線,反常色散：波長越短，折射率越小的色散. 孔脫定律：反常色散總是與光的吸收有密切聯(lián)系。 “反?！鄙嶋H上也是很普遍的，“反?！辈⒉环闯?，“反常”色散和“正?！鄙H是歷史上的名詞。,在選擇吸收區(qū)，折射率隨波長出現(xiàn)突變。在選擇吸收區(qū)兩側(cè)，折射率隨波長迅速變化，并且在長波一側(cè)的折射率遠大于短波一側(cè)。遠離吸收區(qū)處，折射率隨波長的變化表現(xiàn)為正常色散特征。,結(jié)論：反常色散并不反常。它反映了介質(zhì)在選擇吸收區(qū)及其

7、附近的色散特征。如果介質(zhì)在某一光譜區(qū)出現(xiàn)反常色散，則一定表明介質(zhì)在該波段具有強烈的選擇吸收特性。而在正常色散的光譜區(qū)，介質(zhì)則表現(xiàn)為均勻吸收特性。,特點：,固有頻率0附近的折射率與吸收（經(jīng)典電子理論）,在反常色散區(qū)內(nèi)出現(xiàn)折射率隨頻率的增大而減小的現(xiàn)象。,反常色散曲線,特點：折射率隨波長的增大而增大，即色散率,任何物質(zhì)共有的現(xiàn)象：在物質(zhì)的吸收帶范圍內(nèi)存在反常色散，而在吸收帶以外或兩個吸收帶之間則存在正常色散。,一種物質(zhì)的全部色散曲線：各波段的正常色散曲線與反常色散曲線之總和,特點：, 折射率在相鄰兩個選擇吸收帶之間隨波長增大呈單調(diào)降；, 每個選擇吸收帶處折射率發(fā)生突變，且長波一側(cè)折射率急劇增大；,

8、 隨著波長的增大，各吸收帶之間的曲線抬高科希公式中的A值增大；, l=0時，對于任何介質(zhì)，n=1。波長較小時，如g 射線和X射線，n1。,圖11-29 一種介質(zhì)的全波段色散曲線,光的散射,散射含義：光通過非均勻介質(zhì)時從側(cè)面看到光的現(xiàn)象. 物理本質(zhì)：次波疊加不能完全抵消的結(jié)果。,瑞利散射 d / 10 有波長依賴性,米氏散射 d 10 無波長依賴性,拉曼和布理淵散射,彈性散射,非彈性散射,d為散射粒子線度,（小粒子散射）；,（大粒子散射）,光通過物質(zhì)時，光的吸收與散射都能導致光強的減弱，于是透射光強I與入射光強I0之間的關系為： ，其中稱為吸收系數(shù)，稱為散射系數(shù)。,1. 規(guī)律,2物理機制,光通過

9、非均勻物質(zhì)時，雜質(zhì)微粒的線度一,般比光的波長小，它們彼此間的距離比波長大，,而且排列毫無規(guī)則。因此，當它們在光作用下,振動時彼此間無固定的相位關系，次級輻射的,不相干疊加，各處不會相消，從而形成散射光。,白光通過渾濁物質(zhì)時d / 10 ，沿z 方向，散射光呈,青藍色，沿x方向，散射光呈紅色。,瑞利散射：,1) 稀薄氣體以及懸浮微粒的散射（d / 10）,2) 純凈氣體或液體的散射（分子散射）,瑞利散射具有以下特點：,天空成蔚藍色是大氣強烈散射太陽 光中的紫光和藍光所造成的。,（2）散射光強度隨觀察方向而變，即,其中I()是與入射光方向成角方向上的散射光強,I0 是=/2方向上 的散射光強,在不同的觀察方向上,散射光強不同。,（1）散射光強度與入射光波長(頻率)的四次方成反比(正比)，,早晚太陽更紅,（3）散射光具有偏振性,并與角有關.,自然光入射到各向同性媒質(zhì)： 垂直于入射方向的散射光為 線偏振光，原入射方向及其 逆方向上,散射光仍是自然光 ，其他方向的散射光是部分 偏振光偏振程度與角有關。,自然光入射到各向異性媒質(zhì)： 散射光在與入射光垂直方向上是部分偏振光。,線偏振光照射某些氣體或液體，從側(cè)向,觀察時，散射光變成部分偏振的，稱為退偏,振。其機理是介質(zhì)分子本身是各向異性的。,散射光偏振性的應用,例1. 南北極探險用