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1、1.9节 光的吸收、色散和散射,开始涉及光和物质的相互作用。,光的吸收、色散和散射严格的理论解释需要利用量子理论，但通常情况下，用经典的电偶极辐射模型也可以给出较为直观而简明的定性解释及相应的物理图像。,洛仑兹(Lorentz)的电子论,光的吸收光能的损耗,光的吸收有两种：一般吸收和选择吸收。,一般吸收是物质对光能的吸收很少，吸收系数与波长无关，并且对某一波段的光的吸收量几乎一样。在可见光范围内，意味着光束通过媒质后只改变强度，不改变颜色。如：空气、纯水、无色玻璃等媒质。,选择吸收是物质对光能的吸收很多，并且随波长的变化而剧烈变化。由于可见光进行选择吸收，会使白光变为彩色光。绝大部分物体呈现颜

2、色，都是其表面或体内对可见光进行选择吸收的结果。,定义：光通过介质后出现的出射光强小于入射光强的现象。 解释：用经典电磁理论中的振子模型解释：光能振动能 热能。,(一) 物质对光吸收的一般规律 朗伯定律： 设光通过厚度为dx的介质层时， 光强由I减少为（IdI），则有： 成立， 积分可得通过厚度为L的介质后的光强 I ，,I0,I,I-dI,dx,x,x+dx,l,X, 吸收系数, 单位长度上的光强吸收率,这就是布格尔定律或朗伯定律。,布格尔定律或朗伯定律，它是布格尔 ( P. Bouguer, 1698 1758 ) 在1729年发现的，朗伯 ( J.H. Lambert, 1728 177

3、7 )在1760年重新作了表述。,仅适用于稀释溶液。,选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律，由于选择吸收，任何光学材料在紫外和红外端都有一定的透光极限，这一点对于制作分光仪器中的棱镜，透镜材料选取显得非常重要。,(二) 吸收的波长选择性,光的吸收,（1）对于可见光来说,各种物质的吸收系数 金属 、玻璃 （2）吸收的波长选择性 如大气中：红外水、CO2 ；紫外臭氧 （3）吸收带的线宽问题 对于液体和固体，吸收带都比较宽，而对于气体则比较窄，通常只有103nm量级。,光吸收举例,玻璃：对可见光透明，对紫 外、红外不透明 ( 吸收 ) 隔着玻璃晒太阳？,橡皮：对可见光不透明（吸收），对红外光透明.,

4、混泥土：对可见光不透明（吸收），对无线电波透明.,树木: 对绿光反射，对其它光吸收.,玻璃之所以透明，是因为能被312nm - 1050nm 电磁波透过，312nm-1050nm 的电磁就是我们人眼可见的光； 铁板之所以是不透明的，是因为其不能被312nm - 1050nm 电磁波透过，但是波长更短的电磁波却可以透过它，比如X射线，对于X射线来说，铁板其实就是透明的. 如果我们人眼能够接收X射线的话，那对于大多数物质来说 就是透视眼了。但是对于很厚的铅板，又不是透明的了。 所以透明是一个相对的概念。是由其内部原子结构和电磁波穿透力决定的。,二,光的色散,光的色散的定义： 光在物质中传播时，其折

5、射率（传播速度）随光波频率（波长）而变的现象。 光的色散分两种：正常色散、反常色散。,正常色散:折射率随光波长的增大而减少,其色散曲线 呈单调下降。,色散率：dn/dl，介质的折射率随波长的变化率,正常色散：dn/dl0，出现于介质的一般吸收光谱区域,反常色散：dn/dl0，出现于介质的选择吸收光谱区域,(2) 准确测定法,利用最小偏向角原理，分别测量出棱镜物质对不同波长单色光的折射率，从而精确地得到n(l) 曲线。,实验色散曲线,介质的色散曲线,描述正常色散时折射率n 与波长 关系的经验公式为科希方程：,正常色散的特点：,（1）波长越短，折射率越大；,（2）波长越短， 越大；,（4）不同物质

6、的色散曲线没有简单的相似关系。,a、b、c为由介质特性决定的常数，由实验得出。 当波长变化范围不大时，科希方程可取近似形式,由上两式可得： , 与正常色散曲线、光谱的 特点相吻合。,石英的色散曲线,反常色散：波长越短，折射率越小的色散. 孔脱定律：反常色散总是与光的吸收有密切联系。 “反常”色散实际上也是很普遍的，“反常”并不反常，“反常”色散和“正常”色散仅是历史上的名词。,在选择吸收区，折射率随波长出现突变。在选择吸收区两侧，折射率随波长迅速变化，并且在长波一侧的折射率远大于短波一侧。远离吸收区处，折射率随波长的变化表现为正常色散特征。,结论：反常色散并不反常。它反映了介质在选择吸收区及其

7、附近的色散特征。如果介质在某一光谱区出现反常色散，则一定表明介质在该波段具有强烈的选择吸收特性。而在正常色散的光谱区，介质则表现为均匀吸收特性。,特点：,固有频率0附近的折射率与吸收（经典电子理论）,在反常色散区内出现折射率随频率的增大而减小的现象。,反常色散曲线,特点：折射率随波长的增大而增大，即色散率,任何物质共有的现象：在物质的吸收带范围内存在反常色散，而在吸收带以外或两个吸收带之间则存在正常色散。,一种物质的全部色散曲线：各波段的正常色散曲线与反常色散曲线之总和,特点：, 折射率在相邻两个选择吸收带之间随波长增大呈单调降；, 每个选择吸收带处折射率发生突变，且长波一侧折射率急剧增大；,

8、 随着波长的增大，各吸收带之间的曲线抬高科希公式中的A值增大；, l=0时，对于任何介质，n=1。波长较小时，如g 射线和X射线，n1。,图11-29 一种介质的全波段色散曲线,光的散射,散射含义：光通过非均匀介质时从侧面看到光的现象. 物理本质：次波叠加不能完全抵消的结果。,瑞利散射 d / 10 有波长依赖性,米氏散射 d 10 无波长依赖性,拉曼和布理渊散射,弹性散射,非弹性散射,d为散射粒子线度,（小粒子散射）；,（大粒子散射）,光通过物质时，光的吸收与散射都能导致光强的减弱，于是透射光强I与入射光强I0之间的关系为： ，其中称为吸收系数，称为散射系数。,1. 规律,2物理机制,光通过

9、非均匀物质时，杂质微粒的线度一,般比光的波长。潜舜思涞木嗬氡炔ǔご，,而且排列毫无规则。因此，当它们在光作用下,振动时彼此间无固定的相位关系，次级辐射的,不相干叠加，各处不会相消，从而形成散射光。,白光通过浑浊物质时d / 10 ，沿z 方向，散射光呈,青蓝色，沿x方向，散射光呈红色。,瑞利散射：,1) 稀薄气体以及悬浮微粒的散射（d / 10）,2) 纯净气体或液体的散射（分子散射）,瑞利散射具有以下特点：,天空成蔚蓝色是大气强烈散射太阳 光中的紫光和蓝光所造成的。,（2）散射光强度随观察方向而变，即,其中I()是与入射光方向成角方向上的散射光强,I0 是=/2方向上 的散射光强,在不

10、同的观察方向上,散射光强不同。,（1）散射光强度与入射光波长(频率)的四次方成反比(正比)，,早晚太阳更红,（3）散射光具有偏振性,并与角有关.,自然光入射到各向同性媒质： 垂直于入射方向的散射光为 线偏振光，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 偏振光偏振程度与角有关。,自然光入射到各向异性媒质： 散射光在与入射光垂直方向上是部分偏振光。,线偏振光照射某些气体或液体，从侧向,观察时，散射光变成部分偏振的，称为退偏,振。其机理是介质分子本身是各向异性的。,散射光偏振性的应用,例1. 南北极探险用： “太阳罗盘”（利用阳光散射的偏振性）辨别方向（因磁罗盘在南北极无用）. 例2. 蜜蜂靠天空光的偏振性辨别方向（蜜蜂的眼睛中有对偏振敏感的器官）,米氏散射的特点：,（1）散射光的强度与入射光波长的依赖关系不很显著，因此散射光的颜色与入射光的颜色相近；（白云）,（2）前向散射较多（瑞利散射前后对称，中间最少）,