光的吸收、色散和散射

1、光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)1光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)2 光的吸收、色散和散射理論主要光的吸收、色散和散射理論主要討論光與物質(zhì)的相互作用。這類現(xiàn)象討論光與物質(zhì)的相互作用。這類現(xiàn)象的研究有兩方面的意義：一方面進(jìn)一的研究有兩方面的意義：一方面進(jìn)一步了解光的本性，另一方面可得到許步了解光的本性，另一方面可得到許多有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息。多有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息。光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)3光射入媒質(zhì)，主要發(fā)生兩個(gè)方面的變化：光射入媒質(zhì)，主要發(fā)生

2、兩個(gè)方面的變化： 強(qiáng)度逐漸減弱強(qiáng)度逐漸減弱 吸收和散射吸收和散射速度小于速度小于 ，且隨，且隨 變化變化 色散色散c 定性討論光的吸收，色散和散射現(xiàn)象定性討論光的吸收，色散和散射現(xiàn)象及其經(jīng)典解釋。光與物質(zhì)相互作用的嚴(yán)格及其經(jīng)典解釋。光與物質(zhì)相互作用的嚴(yán)格理論由量子力學(xué)與量子電動(dòng)力學(xué)討論。理論由量子力學(xué)與量子電動(dòng)力學(xué)討論。光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)p電偶極子模型電偶極子模型 光光 物質(zhì)，物質(zhì)中分子，原子或離子中物質(zhì)，物質(zhì)中分子，原子或離子中電荷在電荷在 作用下受迫振動(dòng)。作用下受迫振動(dòng)。E分子看作做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的電偶極子分子看作做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的電偶極子 理想模型理

3、想模型 振子在振動(dòng)時(shí)，發(fā)射次級(jí)電磁波。振子在振動(dòng)時(shí)，發(fā)射次級(jí)電磁波。 此模型是粗略的，卻有一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)此模型是粗略的，卻有一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)（如高溫低壓氣體會(huì)發(fā)射或吸收特定頻率的光（如高溫低壓氣體會(huì)發(fā)射或吸收特定頻率的光波），也能定性解釋一些現(xiàn)象，并為用量子理波），也能定性解釋一些現(xiàn)象，并為用量子理論解釋作準(zhǔn)備。論解釋作準(zhǔn)備。分子光學(xué)的基本分子光學(xué)的基本概念概念 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)光的吸收光的吸收 除了真空，沒(méi)有一種物質(zhì)對(duì)電磁波是絕除了真空，沒(méi)有一種物質(zhì)對(duì)電磁波是絕對(duì)透明的，光進(jìn)入物質(zhì)，使帶電粒子受迫振對(duì)透明的，光進(jìn)入物質(zhì)，使帶電粒子受迫振動(dòng)，一

4、部分光能動(dòng)，一部分光能 振動(dòng)能振動(dòng)能 平均動(dòng)平均動(dòng)能。使分子熱運(yùn)動(dòng)能量增加，即光能轉(zhuǎn)化成能。使分子熱運(yùn)動(dòng)能量增加，即光能轉(zhuǎn)化成熱能，光能減少熱能，光能減少 吸收吸收。 分子碰撞光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)一一 吸收的線性規(guī)律吸收的線性規(guī)律 1.1.朗伯定律朗伯定律 0Idxxdxx xl實(shí)驗(yàn)表明，在相當(dāng)廣闊實(shí)驗(yàn)表明，在相當(dāng)廣闊的光強(qiáng)范圍的光強(qiáng)范圍IdxdI IdxdIa 即：即：光通過(guò)光通過(guò) dxdII I光的吸收光的吸收 比例系數(shù)比例系數(shù) 與光強(qiáng)無(wú)關(guān)（對(duì)給定波長(zhǎng)）與光強(qiáng)無(wú)關(guān)（對(duì)給定波長(zhǎng)） 該物質(zhì)的吸收系數(shù)該物質(zhì)的吸收系數(shù)a光的吸收、色散和散射光的吸收、

5、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)若光通過(guò)厚度為若光通過(guò)厚度為 的媒質(zhì)的媒質(zhì) ldxIdIa lIIdxIdI0a0 lIIae0 朗伯定律（朗伯定律（J.H.Lambert，1729）亦稱為布格爾定律（亦稱為布格爾定律（P.Bouguer，1729）光的吸收光的吸收 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)2.2.比爾定律比爾定律 實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)光被透明溶劑中溶解的實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)光被透明溶劑中溶解的物質(zhì)所吸收時(shí)，物質(zhì)所吸收時(shí)， 與濃度與濃度 成正比。成正比。cAc a 是一個(gè)與濃度無(wú)關(guān)的常數(shù)。是一個(gè)與濃度無(wú)關(guān)的常數(shù)。（表征吸收物質(zhì)的分子特性）（表征吸收物質(zhì)的分子特

6、性）AAclII e0比爾定律比爾定律 它適用于濃度不太大的情況。這是吸它適用于濃度不太大的情況。這是吸收光譜分析的原理。收光譜分析的原理。光的吸收光的吸收 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) 光吸收的線性規(guī)律（如上）：在光強(qiáng)不光吸收的線性規(guī)律（如上）：在光強(qiáng)不太強(qiáng)時(shí)太強(qiáng)時(shí)(Laser出現(xiàn)以前出現(xiàn)以前)相當(dāng)精確，相當(dāng)精確，Laser發(fā)發(fā)明后，人們獲得了光強(qiáng)比原來(lái)大幾個(gè)乃至十明后，人們獲得了光強(qiáng)比原來(lái)大幾個(gè)乃至十幾個(gè)數(shù)量級(jí)的光源，光和物質(zhì)的非線性作用幾個(gè)數(shù)量級(jí)的光源，光和物質(zhì)的非線性作用顯示出來(lái)顯示出來(lái) 非線性光學(xué)非線性光學(xué) 。這時(shí)，。這時(shí)， 將與其將與其它許多

7、系數(shù)它許多系數(shù) (如如n )一樣，與電、磁場(chǎng)或光強(qiáng)一樣，與電、磁場(chǎng)或光強(qiáng)有關(guān)，朗伯定律不再成立。有關(guān)，朗伯定律不再成立。3.3.說(shuō)明說(shuō)明 光的吸收光的吸收 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)二二 光的吸收與波長(zhǎng)的關(guān)系光的吸收與波長(zhǎng)的關(guān)系 可見(jiàn)光范圍內(nèi)普遍吸收可見(jiàn)光范圍內(nèi)普遍吸收 光通過(guò)媒質(zhì)光通過(guò)媒質(zhì)只改變強(qiáng)度不改變顏色。只改變強(qiáng)度不改變顏色。1.普遍吸收普遍吸收（一般吸收）：某物質(zhì)對(duì)各種波長(zhǎng)（一般吸收）：某物質(zhì)對(duì)各種波長(zhǎng)的光的吸收程度幾乎相等，即的光的吸收程度幾乎相等，即 與與 無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)（如空氣，純水，無(wú)色玻璃等在可見(jiàn)光范圍（如空氣，純水，無(wú)色玻璃等在可見(jiàn)光范

8、圍內(nèi)）內(nèi)）2.選擇吸收選擇吸收：物質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)的光的吸收特別：物質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)的光的吸收特別強(qiáng)烈。強(qiáng)烈。對(duì)可見(jiàn)光的選擇吸收，會(huì)使白光對(duì)可見(jiàn)光的選擇吸收，會(huì)使白光 彩色光彩色光 光的吸收光的吸收 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) 絕大部分物體呈現(xiàn)顏色，都是其表面或體絕大部分物體呈現(xiàn)顏色，都是其表面或體內(nèi)對(duì)可見(jiàn)光的選擇吸收的結(jié)果。內(nèi)對(duì)可見(jiàn)光的選擇吸收的結(jié)果。 選擇吸收是光與物質(zhì)作用的普遍規(guī)律，對(duì)廣選擇吸收是光與物質(zhì)作用的普遍規(guī)律，對(duì)廣闊的電磁波譜而言，普遍吸收的媒質(zhì)不存在。闊的電磁波譜而言，普遍吸收的媒質(zhì)不存在。 如地球大氣對(duì)可見(jiàn)光和如地球大氣對(duì)可見(jiàn)光和 的紫外線

9、的紫外線透明。透明。 的紫外線被臭氧強(qiáng)烈吸收。對(duì)的紫外線被臭氧強(qiáng)烈吸收。對(duì)紅外線，大氣只是在某些狹窄波段內(nèi)透明紅外線，大氣只是在某些狹窄波段內(nèi)透明 大大氣窗口氣窗口。這里吸收物質(zhì)是水蒸汽。研究。這里吸收物質(zhì)是水蒸汽。研究“大氣窗大氣窗口口”的變化在紅外技術(shù)和氣象預(yù)報(bào)中應(yīng)用廣泛。的變化在紅外技術(shù)和氣象預(yù)報(bào)中應(yīng)用廣泛。nm300 nm300 4-24-2光的吸收光的吸收 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)三三 吸收光譜吸收光譜 1.光譜實(shí)驗(yàn)光譜實(shí)驗(yàn)：觀測(cè)物質(zhì)對(duì)光的選擇吸收。觀測(cè)物質(zhì)對(duì)光的選擇吸收。吸收物質(zhì)吸收物質(zhì)白光白光S光譜儀光譜儀分光計(jì)分光計(jì)可調(diào)諧掃描激光可調(diào)

10、諧掃描激光（染料）（染料）光的吸收光的吸收 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)132.吸收光譜吸收光譜 Na蒸氣吸收光譜蒸氣吸收光譜光的吸收光的吸收 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) 同一物質(zhì)的發(fā)射光譜和吸收光譜之間同一物質(zhì)的發(fā)射光譜和吸收光譜之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。有對(duì)應(yīng)關(guān)系。 具有連續(xù)譜的光通過(guò)吸收物質(zhì)后再經(jīng)光具有連續(xù)譜的光通過(guò)吸收物質(zhì)后再經(jīng)光譜儀分析，顯示出某些波段或某些波長(zhǎng)的光譜儀分析，顯示出某些波段或某些波長(zhǎng)的光被吸收被吸收 吸收光譜。吸收光譜。 物質(zhì)的發(fā)射和吸收光譜有三種：線光譜物質(zhì)的發(fā)射和吸收光譜有三種：線光譜（原子氣

11、體），帶光譜（分子氣體，液體，（原子氣體），帶光譜（分子氣體，液體，固體）和連續(xù)光譜。固體）和連續(xù)光譜。光的吸收光的吸收 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) 靈敏度很高，混合物或化合物中極少量靈敏度很高，混合物或化合物中極少量原子含量的變化，會(huì)在光譜中反映出吸收系原子含量的變化，會(huì)在光譜中反映出吸收系數(shù)很大的改變數(shù)很大的改變 光譜分析光譜分析（理論研究和生（理論研究和生產(chǎn)、生活）。產(chǎn)、生活）。 歷史上靠這種方法發(fā)現(xiàn)了銫，銣，鉈，歷史上靠這種方法發(fā)現(xiàn)了銫，銣，鉈，銦，鎵銦，鎵 等新元素。等新元素。3.應(yīng)用應(yīng)用光的吸收光的吸收 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和

12、散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) He元素的發(fā)現(xiàn)：元素的發(fā)現(xiàn)：1868(法法)嚴(yán)森在太陽(yáng)光嚴(yán)森在太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)一些不知來(lái)源的暗線（吸收線），譜中發(fā)現(xiàn)一些不知來(lái)源的暗線（吸收線），英國(guó)天文學(xué)家洛克厄把這一現(xiàn)象解釋為存在英國(guó)天文學(xué)家洛克厄把這一現(xiàn)象解釋為存在一種未知元素，取名為氦一種未知元素，取名為氦(源于希臘文太陽(yáng)之源于希臘文太陽(yáng)之意意)。此元素直到。此元素直到1894年才被英國(guó)化學(xué)家萊姆年才被英國(guó)化學(xué)家萊姆賽從釔鈾礦物蛻變出的氣體中發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明地賽從釔鈾礦物蛻變出的氣體中發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明地球上也存在球上也存在He。光的吸收光的吸收 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)一

13、一 色散現(xiàn)象色散現(xiàn)象 不同頻率的光在同一物質(zhì)中傳播速度不不同頻率的光在同一物質(zhì)中傳播速度不同，即同，即物質(zhì)的折射率與光的頻率有關(guān)物質(zhì)的折射率與光的頻率有關(guān)，而折，而折射率取決于真空中光速與物質(zhì)中光速之比。射率取決于真空中光速與物質(zhì)中光速之比。（1672年年 牛頓）牛頓）光的色散光的色散光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)二二 色散與經(jīng)典電磁理論色散與經(jīng)典電磁理論 色散現(xiàn)象也是光和物質(zhì)相互作用的結(jié)果，色散現(xiàn)象也是光和物質(zhì)相互作用的結(jié)果，可用分子電偶極子模型的受迫振動(dòng)來(lái)解釋，但可用分子電偶極子模型的受迫振動(dòng)來(lái)解釋，但Maxwell理論無(wú)法解釋。理論無(wú)法解釋。根據(jù)根據(jù)

14、Maxwell理論：理論：001 crrcv （非鐵磁質(zhì)）（非鐵磁質(zhì)）r rrvcn 與頻率無(wú)關(guān)與頻率無(wú)關(guān)光的色散光的色散光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) 因?yàn)榇死碚撝?，沒(méi)有有關(guān)物質(zhì)特性的引入，后因?yàn)榇死碚撝?，沒(méi)有有關(guān)物質(zhì)特性的引入，后來(lái)洛侖茲的經(jīng)典電子論找到了電磁場(chǎng)頻率與來(lái)洛侖茲的經(jīng)典電子論找到了電磁場(chǎng)頻率與 的的關(guān)系，由此得到與關(guān)系，由此得到與 的關(guān)系，闡明了色散現(xiàn)象。的關(guān)系，闡明了色散現(xiàn)象。rn三三 色散的特點(diǎn)色散的特點(diǎn)棱鏡色散（色散光譜）棱鏡色散（色散光譜） 非勻排非勻排光柵色散（光柵光譜）光柵色散（光柵光譜） 勻排勻排光的色散光的色散光的吸收、色散

15、和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) ddnAnAddD )2(sin1)2sin(222棱鏡色散：角色散率棱鏡色散：角色散率 同一物質(zhì)在不同波長(zhǎng)區(qū)的同一物質(zhì)在不同波長(zhǎng)區(qū)的 不同，各種物不同，各種物質(zhì)的色散沒(méi)有簡(jiǎn)單的關(guān)系。研究此問(wèn)題關(guān)鍵是質(zhì)的色散沒(méi)有簡(jiǎn)單的關(guān)系。研究此問(wèn)題關(guān)鍵是找出各波長(zhǎng)區(qū)找出各波長(zhǎng)區(qū) 之值，或之值，或 函數(shù)。函數(shù)。D ddn)( fn 光的色散光的色散光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)四四 正交棱鏡觀察法正交棱鏡觀察法 最清楚的顯示色散的的方法（牛頓用過(guò)）最清楚的顯示色散的的方法（牛頓用過(guò)） 閱閱P196 圖圖6-2五五 正

16、常色散和反常色散正常色散和反常色散 分析色散曲線分析色散曲線P197圖圖6-3 的幾個(gè)特點(diǎn)的幾個(gè)特點(diǎn) 小小 大大n 小小 大大ddn光的色散光的色散光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) 不同物質(zhì)不同物質(zhì) 大大 大大.constddnn 不同物質(zhì)的色散曲線沒(méi)有簡(jiǎn)單的相似關(guān)系。不同物質(zhì)的色散曲線沒(méi)有簡(jiǎn)單的相似關(guān)系。1.正常正常色散：色散：波長(zhǎng)越短，折射率越大。波長(zhǎng)越短，折射率越大。 反常反常色散：色散：反之。反之。例例1：魯氏在：魯氏在1862年用充滿碘蒸氣的三棱柱形年用充滿碘蒸氣的三棱柱形容器觀察光通過(guò)它的折射，發(fā)現(xiàn)青色光比紅光容器觀察光通過(guò)它的折射，發(fā)現(xiàn)青色光比

17、紅光折射小。折射小。例例2：光通過(guò)品紅溶液，紫光偏轉(zhuǎn)比紅光小。：光通過(guò)品紅溶液，紫光偏轉(zhuǎn)比紅光小。光的色散光的色散光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)2.孔脫定律：反常色散總是與光的吸收有孔脫定律：反常色散總是與光的吸收有 密切聯(lián)系密切聯(lián)系 “反常反常”的含義：并不反常，很普遍。的含義：并不反常，很普遍。 “反常反?！鄙⒑蜕⒑汀罢Ｕ！鄙H是歷史上色散僅是歷史上的名詞沿用下來(lái)的的名詞沿用下來(lái)的。 任何物質(zhì)在紅外或紫外光譜中只要有選任何物質(zhì)在紅外或紫外光譜中只要有選擇吸收存在，在這些區(qū)域中總表現(xiàn)出反常色擇吸收存在，在這些區(qū)域中總表現(xiàn)出反常色散（普遍的孔脫定

18、律）。只有當(dāng)波長(zhǎng)在兩個(gè)散（普遍的孔脫定律）。只有當(dāng)波長(zhǎng)在兩個(gè)吸收帶中間且遠(yuǎn)離它們時(shí)，所謂吸收帶中間且遠(yuǎn)離它們時(shí)，所謂“正常正?！鄙⒉虐l(fā)生。散才發(fā)生。光的色散光的色散光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)24實(shí)驗(yàn)色散曲線實(shí)驗(yàn)色散曲線介質(zhì)的色散曲線介質(zhì)的色散曲線可見(jiàn)光可見(jiàn)光重火石玻璃重火石玻璃輕火石玻璃輕火石玻璃水晶水晶冕玻璃冕玻璃熒石熒石n1.701.601.501.4002001000800 400600nm/ 正常色散曲線正常色散曲線光的色散光的色散光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)六六 色散方程色散方程1 柯西方程：柯西方

19、程： 柯西于柯西于1836年用玻璃及透明液體在可見(jiàn)光區(qū)域年用玻璃及透明液體在可見(jiàn)光區(qū)域得到一個(gè)得到一個(gè) 與與 關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式 正常色散曲線正常色散曲線n 42 cban說(shuō)明：說(shuō)明： 式中式中 ：入射光在真空中的波長(zhǎng)。：入射光在真空中的波長(zhǎng)。 物質(zhì)常數(shù)，對(duì)每一種物質(zhì)，物質(zhì)常數(shù)，對(duì)每一種物質(zhì)， 均應(yīng)由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。均應(yīng)由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。cba，光的色散光的色散光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) 此式在可見(jiàn)光區(qū)域?qū)φＩ⑾喈?dāng)準(zhǔn)確。此式在可見(jiàn)光區(qū)域?qū)φＩ⑾喈?dāng)準(zhǔn)確。大多數(shù)情況，取前兩次就足夠。大多數(shù)情況，取前兩次就足夠。2ban即：即：32bddn色散色散光的

20、色散光的色散光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)2 塞耳邁爾方程：塞耳邁爾方程： 塞耳邁爾于塞耳邁爾于1871年，根據(jù)介質(zhì)分子具有年，根據(jù)介質(zhì)分子具有不同固有振動(dòng)頻率的假定，從理論上說(shuō)明了在不同固有振動(dòng)頻率的假定，從理論上說(shuō)明了在吸收帶附近和遠(yuǎn)離吸收帶處的全部色散情況。吸收帶附近和遠(yuǎn)離吸收帶處的全部色散情況。202221 bn說(shuō)明：說(shuō)明： 式中式中 ：入射光在真空中的波長(zhǎng)。：入射光在真空中的波長(zhǎng)。 ：物質(zhì)常數(shù)：物質(zhì)常數(shù) ：和固有頻率有關(guān)。：和固有頻率有關(guān)。b0c00光的色散光的色散光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)不但正確表達(dá)了

21、正常色散，也近似地表達(dá)不但正確表達(dá)了正常色散，也近似地表達(dá)了吸收帶附近地反常色散。了吸收帶附近地反常色散。但有嚴(yán)重缺點(diǎn)：但有嚴(yán)重缺點(diǎn)： （無(wú)限趨近吸收帶）（無(wú)限趨近吸收帶）在長(zhǎng)波一邊在長(zhǎng)波一邊 ，在短波一邊，在短波一邊 ，無(wú)意義。無(wú)意義。n0n同一介質(zhì)分子振子可能有幾種固有頻率同一介質(zhì)分子振子可能有幾種固有頻率（對(duì)應(yīng)（對(duì)應(yīng) ）210,210,光的色散光的色散光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) 212212022021 bbn iiib2221 3 亥姆霍茲方程（略）亥姆霍茲方程（略）光的色散光的色散光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)

22、代光學(xué)30 散射是一種普遍存在的光學(xué)現(xiàn)象。在光散射是一種普遍存在的光學(xué)現(xiàn)象。在光通過(guò)各種渾濁介質(zhì)時(shí)，有一部分光會(huì)向四方通過(guò)各種渾濁介質(zhì)時(shí)，有一部分光會(huì)向四方散射，沿原來(lái)的入射或折射方向傳播的光束散射，沿原來(lái)的入射或折射方向傳播的光束減弱了，即使不迎著入射光束的方向，人們減弱了，即使不迎著入射光束的方向，人們也能夠清楚地看到這些介質(zhì)散射的光。這種也能夠清楚地看到這些介質(zhì)散射的光。這種現(xiàn)象就是光的散射。現(xiàn)象就是光的散射。 下圖是下圖是1984年年9月北京天安門廣場(chǎng)激光月北京天安門廣場(chǎng)激光表演調(diào)試時(shí)的照片。我們能看到劃破夜空，表演調(diào)試時(shí)的照片。我們能看到劃破夜空，射向天空的激光，就是利用了光的散射現(xiàn)

23、象。射向天空的激光，就是利用了光的散射現(xiàn)象。光的散射光的散射 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)31光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)一一 光的散射現(xiàn)象光的散射現(xiàn)象 在不均勻媒質(zhì)中，從側(cè)面能看到光束軌在不均勻媒質(zhì)中，從側(cè)面能看到光束軌跡，這是媒質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方跡，這是媒質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結(jié)果散射的結(jié)果 散射現(xiàn)象。散射現(xiàn)象。 lsII e0總的：總的： llIIIs ee0)(0as：散射系數(shù)：散射系數(shù) ：衰減系數(shù)：衰減系數(shù)光的散射光的散射 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近

24、代光學(xué)代光學(xué)二二 散射與媒質(zhì)不均勻性的關(guān)系散射與媒質(zhì)不均勻性的關(guān)系 均勻媒質(zhì)：受迫振動(dòng)發(fā)出的相干次波，均勻媒質(zhì)：受迫振動(dòng)發(fā)出的相干次波，相干疊加結(jié)果只剩下遵從幾何光學(xué)規(guī)相干疊加結(jié)果只剩下遵從幾何光學(xué)規(guī)律的光線，沿其余方向振動(dòng)完全抵消。律的光線，沿其余方向振動(dòng)完全抵消。 散射的經(jīng)典圖像散射的經(jīng)典圖像 光的散射光的散射 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)不均勻媒質(zhì)：（均勻物質(zhì)中散布著不均勻媒質(zhì)：（均勻物質(zhì)中散布著n與與它不同的大量其它物質(zhì)微?；蛭镔|(zhì)本身組它不同的大量其它物質(zhì)微?；蛭镔|(zhì)本身組成部分成部分(粒子粒子)不規(guī)則聚集），不均勻性達(dá)不規(guī)則聚集），不均勻性達(dá)到波

25、長(zhǎng)量級(jí)，在光波作用下成為差別較大到波長(zhǎng)量級(jí)，在光波作用下成為差別較大的次波源。這些次波的次波源。這些次波(不不)相干疊加結(jié)果，相干疊加結(jié)果，與均勻媒質(zhì)不同，除了按幾何光學(xué)規(guī)律傳與均勻媒質(zhì)不同，除了按幾何光學(xué)規(guī)律傳播的光線外，其它方向或多或少也有光線播的光線外，其它方向或多或少也有光線存在存在 散射光散射光。光的散射光的散射 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) 若不均勻團(tuán)塊尺度若不均勻團(tuán)塊尺度 ，散射又可看，散射又可看成是在這些團(tuán)塊上的反射和折射。成是在這些團(tuán)塊上的反射和折射。光的散射光的散射 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)

26、按不均勻團(tuán)塊的情況，散射可分為兩大類：按不均勻團(tuán)塊的情況，散射可分為兩大類：(1)懸浮質(zhì)點(diǎn)的散射：如膠體，乳狀液，含懸浮質(zhì)點(diǎn)的散射：如膠體，乳狀液，含有煙霧、塵埃的大氣等。有煙霧、塵埃的大氣等。(2)分子散射：分子熱運(yùn)動(dòng)造成密度的局部分子散射：分子熱運(yùn)動(dòng)造成密度的局部漲落引起的散射。漲落引起的散射。 如：十分純凈的液體或氣體，也能產(chǎn)生如：十分純凈的液體或氣體，也能產(chǎn)生較微弱的散射。較微弱的散射。 物質(zhì)處在臨界點(diǎn)時(shí)密度漲落很大，會(huì)發(fā)物質(zhì)處在臨界點(diǎn)時(shí)密度漲落很大，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的分子散射生強(qiáng)烈的分子散射 臨界乳光。臨界乳光。光的散射光的散射 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光

27、學(xué)代光學(xué)三三 瑞利散射瑞利散射 天空為什么是藍(lán)色的？天空為什么是藍(lán)色的？ 云朵為什么是白的？（云朵為什么是白的？（米氏散射，水滴與波長(zhǎng)比擬米氏散射，水滴與波長(zhǎng)比擬） 朝（晚）霞為什么是紅的？朝（晚）霞為什么是紅的？1.瑞利散射（瑞利散射（Rayleigh） 線度小于光波長(zhǎng)的微粒（散射體）對(duì)線度小于光波長(zhǎng)的微粒（散射體）對(duì)光的散射現(xiàn)象光的散射現(xiàn)象 瑞利散射瑞利散射。光的散射光的散射 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)散射光強(qiáng)散射光強(qiáng)41I 此定律說(shuō)明，散射光中短波占優(yōu)勢(shì)，故白光此定律說(shuō)明，散射光中短波占優(yōu)勢(shì)，故白光的散射呈青藍(lán)色，而通過(guò)散射物的光呈紅色，的散射呈

28、青藍(lán)色，而通過(guò)散射物的光呈紅色，這就是紅光穿過(guò)薄霧能力強(qiáng)的原因（信號(hào)燈或這就是紅光穿過(guò)薄霧能力強(qiáng)的原因（信號(hào)燈或信號(hào)旗用紅色）紅外線則更強(qiáng)（紅外遙感）。信號(hào)旗用紅色）紅外線則更強(qiáng)（紅外遙感）。注意此定律只適用于尺度注意此定律只適用于尺度 的小顆粒散射。的小顆粒散射。2.瑞利定律（瑞利定律（1871年）年）光的散射光的散射 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) 假定白光中波長(zhǎng)為假定白光中波長(zhǎng)為 的紅光與的紅光與 的藍(lán)光具有同樣的強(qiáng)度，問(wèn)在散射光的藍(lán)光具有同樣的強(qiáng)度，問(wèn)在散射光中兩者的比例是多少？中

29、兩者的比例是多少？例例nm600nm450 解：解： 32. 0)65 . 4()(114444 RBBRBRII 白光散射可看到青藍(lán)色白光散射可看到青藍(lán)色光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) 1908和和1909年，米年，米(Mie)和德拜和德拜(Debye)以球形質(zhì)點(diǎn)以球形質(zhì)點(diǎn)(半徑半徑 )為模型作了計(jì)算，只有為模型作了計(jì)算，只有 時(shí)，瑞利定律才成立，當(dāng)時(shí)，瑞利定律才成立，當(dāng) 較大時(shí)，較大時(shí)，散射強(qiáng)度幾乎與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)（米氏散射強(qiáng)度幾乎與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)（米氏散射）散射）。3 .02 a aa 2光的散射光的散射 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近

30、代光學(xué)代光學(xué)四四 大氣散射自然現(xiàn)象的解釋大氣散射自然現(xiàn)象的解釋（若無(wú)大氣，白晝天空是光輝奪目的太陽(yáng)懸掛在（若無(wú)大氣，白晝天空是光輝奪目的太陽(yáng)懸掛在 漆黑的背景中漆黑的背景中 宇航員是司空見(jiàn)慣了的）宇航員是司空見(jiàn)慣了的）1.白晝天空是亮的白晝天空是亮的 大氣散射陽(yáng)光的結(jié)果。大氣散射陽(yáng)光的結(jié)果。2.天空呈藍(lán)色，旭日和夕陽(yáng)呈紅色。天空呈藍(lán)色，旭日和夕陽(yáng)呈紅色。3. 為什么點(diǎn)燃的香煙冒出的煙是淡藍(lán)的，而為什么點(diǎn)燃的香煙冒出的煙是淡藍(lán)的，而吸煙者口中吐出的煙卻呈白色？吸煙者口中吐出的煙卻呈白色？光的散射光的散射 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)3.白云白云云由水滴組成

31、，其云由水滴組成，其 ，瑞利定律不適用，瑞利定律不適用，其產(chǎn)生的散射與波長(zhǎng)關(guān)系不大（米氏散射），其產(chǎn)生的散射與波長(zhǎng)關(guān)系不大（米氏散射），故云霧呈白色故云霧呈白色 。 R藍(lán)色藍(lán)色人人朝朝晚晚光的散射光的散射 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué) 大氣散射一部分來(lái)自懸浮的塵埃，另一部大氣散射一部分來(lái)自懸浮的塵埃，另一部分來(lái)自密度漲落引起的分子散射，后者尺度比分來(lái)自密度漲落引起的分子散射，后者尺度比前者小得多，故瑞利定律的作用更明顯。所以前者小得多，故瑞利定律的作用更明顯。所以雨過(guò)天晴，天空總是格外藍(lán)。雨過(guò)天晴，天空總是格外藍(lán)。五五 散射光的偏振狀態(tài)散射光的偏振狀態(tài)

32、光源發(fā)出自然光，在垂直于入射光的方向光源發(fā)出自然光，在垂直于入射光的方向上，散射光是線偏振光，在原入射方向上，散上，散射光是線偏振光，在原入射方向上，散射光仍是自然光，沿斜方向觀察，散射光是部射光仍是自然光，沿斜方向觀察，散射光是部分偏振光。分偏振光。光的散射光的散射 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)45散射光的偏振性散射光的偏振性xzoy 0IIy 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波動(dòng)及近波動(dòng)及近代光學(xué)代光學(xué)46散射光偏振性的應(yīng)用例例1.1. 南北極探險(xiǎn)用：南北極探險(xiǎn)用： “ “太陽(yáng)羅盤太陽(yáng)羅盤”（利（利用陽(yáng)光散射的偏振性）辨別方向（因磁羅用陽(yáng)光散射的偏振性）辨別方向（因磁羅盤在南北極無(wú)用）盤在南北極無(wú)用）例例2 2. . 蜜蜂靠天空