光的吸收、色散和散射

1光的吸收、色散和散射2

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，另一方面可得到許多有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息。3光射入媒質(zhì)，主要發(fā)生兩個(gè)方面的變化：①?gòu)?qiáng)度逐漸減弱吸收和散射②速度小于，且隨變化色散

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)格理論由量子力學(xué)與量子電動(dòng)力學(xué)討論。電偶極子模型

光物質(zhì)，物質(zhì)中分子，原子或離子中電荷在作用下受迫振動(dòng)。分子看作做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的電偶極子理想模型

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)（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，并為用量子理論解釋作準(zhǔn)備。分子光學(xué)的基本概念光的吸收

除了真空，沒有一種物質(zhì)對(duì)電磁波是絕對(duì)透明的，光進(jìn)入物質(zhì)，使帶電粒子受迫振動(dòng)，一部分光能振動(dòng)能平均動(dòng)能。使分子熱運(yùn)動(dòng)能量增加，即光能轉(zhuǎn)化成熱能，光能減少吸收。分子碰撞一吸收的線性規(guī)律1.朗伯定律實(shí)驗(yàn)表明，在相當(dāng)廣闊的光強(qiáng)范圍即：光通過光的吸收比例系數(shù)與光強(qiáng)無關(guān)（對(duì)給定波長(zhǎng)）該物質(zhì)的吸收系數(shù)若光通過厚度為的媒質(zhì)朗伯定律（J.H.Lambert，1729）亦稱為布格爾定律（P.Bouguer，1729）光的吸收2.比爾定律

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)，與濃度成正比。

是一個(gè)與濃度無關(guān)的常數(shù)。（表征吸收物質(zhì)的分子特性）比爾定律

它適用于濃度不太大的情況。這是吸收光譜分析的原理。光的吸收

光吸收的線性規(guī)律（如上）：在光強(qiáng)不太強(qiáng)時(shí)(Laser出現(xiàn)以前)相當(dāng)精確，Laser發(fā)明后，人們獲得了光強(qiáng)比原來大幾個(gè)乃至十幾個(gè)數(shù)量級(jí)的光源，光和物質(zhì)的非線性作用顯示出來非線性光學(xué)。這時(shí)，將與其它許多系數(shù)(如n)一樣，與電、磁場(chǎng)或光強(qiáng)有關(guān)，朗伯定律不再成立。3.說明光的吸收二光的吸收與波長(zhǎng)的關(guān)系

可見光范圍內(nèi)普遍吸收光通過媒質(zhì)只改變強(qiáng)度不改變顏色。1.普遍吸收（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，即與無關(guān)（如空氣，純水，無色玻璃等在可見光范圍內(nèi)）2.選擇吸收：物質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)的光的吸收特別強(qiáng)烈。對(duì)可見光的選擇吸收，會(huì)使白光彩色光光的吸收

絕大部分物體呈現(xiàn)顏色，都是其表面或體內(nèi)對(duì)可見光的選擇吸收的結(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)可見光和的紫外線透明。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)透明大氣窗口。這里吸收物質(zhì)是水蒸汽。研究“大氣窗口”的變化在紅外技術(shù)和氣象預(yù)報(bào)中應(yīng)用廣泛。4-2光的吸收三吸收光譜1.光譜實(shí)驗(yàn)：觀測(cè)物質(zhì)對(duì)光的選擇吸收。吸收物質(zhì)白光光譜儀分光計(jì)可調(diào)諧掃描激光（染料）光的吸收132.吸收光譜Na蒸氣吸收光譜光的吸收

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。

具有連續(xù)譜的光通過吸收物質(zhì)后再經(jīng)光譜儀分析，顯示出某些波段或某些波長(zhǎng)的光被吸收吸收光譜。

物質(zhì)的發(fā)射和吸收光譜有三種：線光譜（原子氣體），帶光譜（分子氣體，液體，固體）和連續(xù)光譜。光的吸收

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數(shù)很大的改變光譜分析（理論研究和生產(chǎn)、生活）。

歷史上靠這種方法發(fā)現(xiàn)了銫，銣，鉈，銦，鎵等新元素。3.應(yīng)用光的吸收

He元素的發(fā)現(xiàn)：1868(法)嚴(yán)森在太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)一些不知來源的暗線（吸收線），英國(guó)天文學(xué)家洛克厄把這一現(xiàn)象解釋為存在一種未知元素，取名為氦(源于希臘文太陽(yáng)之意)。此元素直到1894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)，說明地球上也存在He。光的吸收一色散現(xiàn)象

不同頻率的光在同一物質(zhì)中傳播速度不同，即物質(zhì)的折射率與光的頻率有關(guān)，而折射率取決于真空中光速與物質(zhì)中光速之比。（1672年牛頓）光的色散二色散與經(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，可用分子電偶極子模型的受迫振動(dòng)來解釋，但Maxwell理論無法解釋。根據(jù)Maxwell理論：（非鐵磁質(zhì)）與頻率無關(guān)光的色散

因?yàn)榇死碚撝?，沒有有關(guān)物質(zhì)特性的引入，后來洛侖茲的經(jīng)典電子論找到了電磁場(chǎng)頻率與的關(guān)系，由此得到與的關(guān)系，闡明了色散現(xiàn)象。三色散的特點(diǎn)棱鏡色散（色散光譜）非勻排光柵色散（光柵光譜）勻排光的色散棱鏡色散：角色散率

同一物質(zhì)在不同波長(zhǎng)區(qū)的不同，各種物質(zhì)的色散沒有簡(jiǎn)單的關(guān)系。研究此問題關(guān)鍵是找出各波長(zhǎng)區(qū)之值，或函數(shù)。光的色散四正交棱鏡觀察法

最清楚的顯示色散的的方法（牛頓用過）閱P196圖6-2五正常色散和反常色散分析色散曲線P197圖6-3的幾個(gè)特點(diǎn)

小大

小大光的色散

不同物質(zhì)大大

不同物質(zhì)的色散曲線沒有簡(jiǎn)單的相似關(guān)系。1.正常色散：波長(zhǎng)越短，折射率越大。

反常色散：反之。例1：魯氏在1862年用充滿碘蒸氣的三棱柱形容器觀察光通過它的折射，發(fā)現(xiàn)青色光比紅光折射小。例2：光通過品紅溶液，紫光偏轉(zhuǎn)比紅光小。光的色散2.孔脫定律：反常色散總是與光的吸收有密切聯(lián)系

“反常”的含義：并不反常，很普遍?！胺闯！鄙⒑汀罢！鄙H是歷史上的名詞沿用下來的。

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“正常”色散才發(fā)生。光的色散24實(shí)驗(yàn)色散曲線介質(zhì)的色散曲線可見光重火石玻璃輕火石玻璃水晶冕玻璃熒石n1.701.601.501.4002001000800400600正常色散曲線光的色散六色散方程1柯西方程：

柯西于1836年用玻璃及透明液體在可見光區(qū)域得到一個(gè)與關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式正常色散曲線說明：①式中：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)，均應(yīng)由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。光的色散②此式在可見光區(qū)域?qū)φＩ⑾喈?dāng)準(zhǔn)確。③大多數(shù)情況，取前兩次就足夠。即：色散光的色散2塞耳邁爾方程：

塞耳邁爾于1871年，根據(jù)介質(zhì)分子具有不同固有振動(dòng)頻率的假定，從理論上說明了在吸收帶附近和遠(yuǎn)離吸收帶處的全部色散情況。說明：①式中：入射光在真空中的波長(zhǎng)。：物質(zhì)常數(shù)：和固有頻率有關(guān)。光的色散②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。但有嚴(yán)重缺點(diǎn)：（無限趨近吸收帶）在長(zhǎng)波一邊，在短波一邊，無意義。③同一介質(zhì)分子振子可能有幾種固有頻率（對(duì)應(yīng)）光的色散3亥姆霍茲方程（略）光的色散30

散射是一種普遍存在的光學(xué)現(xiàn)象。在光通過各種渾濁介質(zhì)時(shí)，有一部分光會(huì)向四方散射，沿原來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。

下圖是1984年9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，射向天空的激光，就是利用了光的散射現(xiàn)象。光的散射31一光的散射現(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)果散射現(xiàn)象?？偟模海荷⑸湎禂?shù)：衰減系數(shù)光的散射二散射與媒質(zhì)不均勻性的關(guān)系①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)律的光線，沿其余方向振動(dòng)完全抵消。

散射的經(jīng)典圖像光的散射②不均勻媒質(zhì)：（均勻物質(zhì)中散布著n與它不同的大量其它物質(zhì)微?；蛭镔|(zhì)本身組成部分(粒子)不規(guī)則聚集），不均勻性達(dá)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(不)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)律傳播的光線外，其它方向或多或少也有光線存在散射光。光的散射若不均勻團(tuán)塊尺度，散射又可看成是在這些團(tuán)塊上的反射和折射。光的散射按不均勻團(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)造成密度的局部漲落引起的散射。

如：十分純凈的液體或氣體，也能產(chǎn)生較微弱的散射。

物質(zhì)處在臨界點(diǎn)時(shí)密度漲落很大，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的分子散射臨界乳光。光的散射三瑞利散射

天空為什么是藍(lán)色的？

云朵為什么是白的？（米氏散射，水滴與波長(zhǎng)比擬）

朝（晚）霞為什么是紅的？1.瑞利散射（Rayleigh）

線度小于光波長(zhǎng)的微粒（散射體）對(duì)光的散射現(xiàn)象瑞利散射。光的散射散射光強(qiáng)

此定律說明，散射光中短波占優(yōu)勢(shì)，故白光的散射呈青藍(lán)色，而通過散射物的光呈紅色，這就是紅光穿過薄霧能力強(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）。注意此定律只適用于尺度的小顆粒散射。2.瑞利定律（1871年）光的散射

假定白光中波長(zhǎng)為的紅光與的藍(lán)光具有同樣的強(qiáng)度，問在散射光中兩者的比例是多少？例

解：

白光散射可看到青藍(lán)色1908和1909年，米(Mie)和德拜(Debye)以球形質(zhì)點(diǎn)(半徑)為模型作了計(jì)算，只有時(shí)，瑞利定律才成立，當(dāng)較大時(shí)，散射強(qiáng)度幾乎與波長(zhǎng)無關(guān)（米氏散射）。光的散射四大氣散射自然現(xiàn)象的解釋（若無大氣，白晝天空是光輝奪目的太陽(yáng)懸掛在漆黑的背景中宇航員是司空見慣了的）1.白晝天空是亮的大氣散射陽(yáng)光的結(jié)果。2.天空呈藍(lán)色，旭日和夕陽(yáng)呈紅色。3.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？光的散射3.白云云由水滴組成，其，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），故云霧呈白色。藍(lán)色人朝晚光的散射

大氣散射一部分來自懸浮的塵埃，另一部分來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。所以雨過天晴，天空總是格外藍(lán)。五散射光的偏振狀態(tài)

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，散射光仍是自然光，沿斜方向觀察，散射光是部分偏振光。光的散射45散射光的偏振性46散射光偏振性的應(yīng)用例1.

南北極探險(xiǎn)用：“太陽(yáng)羅盤”（利用陽(yáng)光散射的偏振性）辨別方向（因磁羅盤在南北極無用）例2.蜜蜂靠天空光的偏振性辨別方向（蜜蜂的眼睛中有對(duì)偏振敏感的器官）七拉曼散射1.現(xiàn)象