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)生兩個方面的變化：①強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。分子看作做簡諧振動的電偶極子理想模型

振子在振動時，發(fā)射次級電磁波。

此模型是粗略的，卻有一定的實驗基礎(chǔ)（如高溫低壓氣體會發(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)對電磁波是絕對透明的，光進入物質(zhì)，使帶電粒子受迫振動，一部分光能振動能平均動能。使分子熱運動能量增加，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.朗伯定律實驗表明，在相當(dāng)廣闊的光強范圍即：光通過光的吸收比例系數(shù)與光強無關(guān)（對給定波長）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

實驗證明：當(dāng)光被透明溶劑中溶解的物質(zhì)所吸收時，與濃度成正比。

是一個與濃度無關(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）：在光強不太強時(Laser出現(xiàn)以前)相當(dāng)精確，Laser發(fā)明后，人們獲得了光強比原來大幾個乃至十幾個數(shù)量級的光源，光和物質(zhì)的非線性作用顯示出來非線性光學(xué)。這時，將與其它許多系數(shù)(如n)一樣，與電、磁場或光強有關(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)只改變強度不改變顏色。1.普遍吸收（一般吸收）：某物質(zhì)對各種波長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)對某些波長的光的吸收特別強烈。對可見光的選擇吸收，會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。

如地球大氣對可見光和的紫外線透明。的紫外線被臭氧強烈吸收。對紅外線，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)報中應(yīng)用廣泛。4-2光的吸收三吸收光譜1.光譜實驗：觀測物質(zhì)對光的選擇吸收。吸收物質(zhì)白光光譜儀分光計可調(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)森在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)一些不知來源的暗線（吸收線），英國天文學(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(源于希臘文太陽之意)。此元素直到1894年才被英國化學(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

因為此理論中，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)在不同波長區(qū)的不同，各種物質(zhì)的色散沒有簡單的關(guān)系。研究此問題關(guān)鍵是找出各波長區(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的幾個特點

小大

小大光的色散

不同物質(zhì)大大

不同物質(zhì)的色散曲線沒有簡單的相似關(guān)系。1.正常色散：波長越短，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?！钡暮x：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)波長在兩個吸收帶中間且遠離它們時，所謂“正?！鄙⒉虐l(fā)生。光的色散24實驗色散曲線介質(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)域得到一個與關(guān)系的經(jīng)驗公式正常色散曲線說明：①式中：入射光在真空中的波長。物質(zhì)常數(shù)，對每一種物質(zhì)，均應(yīng)由實驗測定。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頻率的假定，從理論上說明了在吸收帶附近和遠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。：物質(zhì)常數(shù)：和固有頻率有關(guān)。光的色散②不但正確表達了正常色散，也近似地表達了吸收帶附近地反常色散。但有嚴(yán)重缺點：（無限趨近吸收帶）在長波一邊，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，有一部分光會向四方散射，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月北京天安門廣場激光表演調(diào)試時的照片。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。總的：：散射系數(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），不均勻性達到波長量級，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塊尺度，散射又可看成是在這些團塊上的反射和折射。光的散射按不均勻團塊的情況，散射可分為兩大類：(1)懸浮質(zhì)點的散射：如膠體，乳狀液，含有煙霧、塵埃的大氣等。(2)分子散射：分子熱運動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)處在臨界點時密度漲落很大，會發(fā)生強烈的分子散射臨界乳光。光的散射三瑞利散射

天空為什么是藍色的？

云朵為什么是白的？（米氏散射，水滴與波長比擬）

朝（晚）霞為什么是紅的？1.瑞利散射（Rayleigh）

線度小于光波長的微粒（散射體）對光的散射現(xiàn)象瑞利散射。光的散射散射光強

此定律說明，散射光中短波占優(yōu)勢，故白光的散射呈青藍色，而通過散射物的光呈紅色，這就是紅光穿過薄霧能力強的原因（信號燈或信號旗用紅色）紅外線則更強（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

假定白光中波長為的紅光與的藍光具有同樣的強度，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色1908和1909年，米(Mie)和德拜(Debye)以球形質(zhì)點(半徑)為模型作了計算，只有時，瑞利定律才成立，當(dāng)較大時，散射強度幾乎與波長無關(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光的結(jié)果。2.天空呈藍色，旭日和夕陽呈紅色。3.為什么點燃的香煙冒出的煙是淡藍的，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)生的散射與波長關(guān)系不大（米氏散射），故云霧呈白色。藍色人朝晚光的散射

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。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.

南北極探險用：“太陽羅盤”（利用陽光散射的偏振性）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（蜜蜂的眼睛中有對偏振敏感的器官）七拉曼散射1.現(xiàn)象