《光學(xué)教程》(姚啟鈞)第六章 光的吸收、散射和色散

1、電偶極子(electric dipole) ：一對(duì)靠得很近的等量異號(hào)的點(diǎn)電荷組成的系統(tǒng)。電偶極矩(electric dipole moment) 電磁波輻射電偶極子6.1 電偶極輻射對(duì)反射和折射現(xiàn)象的解釋R代表觀察者離偶極子距離1 電偶極子模型光通過(guò)物質(zhì)時(shí)，各分子將依次按入射光到到達(dá)該分子時(shí)的相位做受迫振動(dòng)。做受迫振動(dòng)的各分子將依次發(fā)出次級(jí)電磁波。能初步解釋直線傳播、折射和反射等現(xiàn)象。2 對(duì)反射和折射現(xiàn)象的初步解釋6.2 光的吸收 一般吸收：若物質(zhì)對(duì)各種波長(zhǎng)的光的吸收程度幾乎相等，即吸收系數(shù)a與無(wú)關(guān)，則稱(chēng)為一般吸收.在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的一般吸收意味著光束通過(guò)媒質(zhì)后只改變強(qiáng)度，不改變顏色。例如空氣、

2、純氣、無(wú)色玻璃等媒質(zhì)都在可見(jiàn)光范圍內(nèi)產(chǎn)生一般吸收。選擇吸收：若物質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)的光的吸收特別強(qiáng)烈，則稱(chēng)為選擇吸收。對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行選擇吸收，會(huì)使白光變?yōu)椴噬?，絕大部分物體呈現(xiàn)顏色，都是其表面或體內(nèi)對(duì)可光進(jìn)行選擇吸收的結(jié)果。1 一般吸收和選擇吸收 從廣闊的電磁波譜來(lái)考慮，一般吸收的媒質(zhì)是不存在的，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)一般吸收的物質(zhì)，往往在紅外和紫外波段內(nèi)進(jìn)行選擇吸收，故而選擇吸收是光和物質(zhì)相互作用的普遍規(guī)律，以空氣為例，地球大氣對(duì)可見(jiàn)光和波長(zhǎng)在3000埃以上的紫外是透明的，波長(zhǎng)短于3000埃紫外線將被空氣中的臭氧強(qiáng)烈吸收，對(duì)于紅外輻射，大氣只在某些狹窄的波段內(nèi)是透明的。這些透明的波段稱(chēng)為“大氣窗口”。這里

3、的主要吸收氣體是水蒸汽，所以大氣的紅外窗口與氣象條件有密切關(guān)系。 制作分光儀器中棱鏡、透鏡的材料必須對(duì)所研究的波長(zhǎng)范圍的透明的，由于選擇吸收，任何光學(xué)材料在此外和紅外端都有一定的透光極限。紫外光譜儀中的棱鏡需用石英制作，紅外光儀中的棱鏡則常巖鹽或CaF2、LiF等晶體制成。如圖6-1所示，光強(qiáng)為I0的單色平行光束沿x軸方向通過(guò)均勻物質(zhì)，在經(jīng)過(guò)一段距離x后光強(qiáng)已減弱到I，再通過(guò)一無(wú)限薄層dx后光強(qiáng)變?yōu)镮 +dI （dI 0，與上述正常色散曲線大不相同。盡管通常把這種色散稱(chēng)為反常色散（anomalous dispersion），但實(shí)際上它反映了物質(zhì)在吸收區(qū)域內(nèi)所普遍遵從的色散規(guī)律。在吸收區(qū)域以外，

4、物質(zhì)的色散曲線仍屬于正常曲線。反常色散6.5 色散的經(jīng)典理論復(fù)數(shù)折射率的意義 n透明媒質(zhì)折射率的本意是=c/v。即真空光速c與媒質(zhì)中光速v之比，在媒質(zhì)中沿x方向傳播的平面電磁波中電場(chǎng)強(qiáng)度可作如下復(fù)數(shù)形式： 這里n是實(shí)數(shù)，電磁波不隨距率衰減，如果我們形式地把折射看成是復(fù)數(shù),光強(qiáng)則為 代表一個(gè)隨距離x衰減的平面波，故k稱(chēng)為衰減指數(shù)，衰減指數(shù)k與吸收系數(shù)a的關(guān)系是 這里是真空中波長(zhǎng)，由此可見(jiàn)，媒質(zhì)的吸收可歸并到一個(gè)數(shù)折射率的概念中去，折射率的虛部反映了因媒質(zhì)的吸收而產(chǎn)生的電磁波衰減。 光線通過(guò)均勻的透明媒質(zhì)(如玻璃、清水）時(shí)，從側(cè)面是難以看到光線的。如果媒質(zhì)不均勻，如有懸浮微粒的渾濁液體，我們便可從側(cè)面清晰地看到光束的軌跡，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。光的散射與不均勻性的尺度有很大關(guān)系，下面我們就這個(gè)問(wèn)題作稍細(xì)的解釋。 如果媒質(zhì)的均勻性遭到破壞，即尺度達(dá)到波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的鄰近媒質(zhì)小塊之間在光學(xué)性質(zhì)上（如折射率）有較大差異 ，在光波的作用下它們將成為強(qiáng)度差別較大的次波源，而且從它們到空間各點(diǎn)已有不可忽略的光程差，這些次波相干迭加的結(jié)果，光場(chǎng)中的強(qiáng)度分布將與上述均勻媒質(zhì)情形有所不同，這時(shí)，除按幾何光學(xué)規(guī)律傳播的光線外，其它方向或多或少也有光線存在，這就是散射光，由此可見(jiàn)，