光學(xué)教程(姚啟鈞)第6章 光的吸收散射和色散

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1、6.16.1 電偶極輻射對(duì)反射和折射現(xiàn)象的解釋電偶極輻射對(duì)反射和折射現(xiàn)象的解釋6.26.2 光的吸收光的吸收6.36.3 光的散射光的散射6.46.4 光的色散光的色散*6.56.5 色散的經(jīng)典理論色散的經(jīng)典理論第六章第六章 光的吸收、散射和色散光的吸收、散射和色散1吸收吸收散射散射色散色散光的光的三種現(xiàn)象都是光與物質(zhì)的相互作用引起的，三種現(xiàn)象都是光與物質(zhì)的相互作用引起的，是不同物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的主要表現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上是是不同物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的主要表現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上是由光和原子中電子相互作用引起的。由光和原子中電子相互作用引起的。對(duì)這些現(xiàn)象的討論，有助于給我們提供原子和分子結(jié)構(gòu)的信息。對(duì)這些現(xiàn)象的討論，有助于給我

2、們提供原子和分子結(jié)構(gòu)的信息。光光的的吸吸收收和和散散射射都都造造成成光光能能量量的的衰衰減減，在在光光纖纖通通訊訊中中減小介質(zhì)的衰減乃是成功的關(guān)鍵技術(shù)之一。減小介質(zhì)的衰減乃是成功的關(guān)鍵技術(shù)之一。三種現(xiàn)象既與生活中的許多現(xiàn)象有關(guān)，又與現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)三種現(xiàn)象既與生活中的許多現(xiàn)象有關(guān)，又與現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的前沿課題緊密相關(guān)。的前沿課題緊密相關(guān)。例：例：物體的顏色是因?yàn)椴煌奈镔|(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)物體的顏色是因?yàn)椴煌奈镔|(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光波有選擇的吸收的緣故，的光波有選擇的吸收的緣故，蔚藍(lán)色的天空、旭日與夕陽(yáng)的紅色，都是光散射的蔚藍(lán)色的天空、旭日與夕陽(yáng)的紅色，都是光散射的結(jié)果，結(jié)果，本章從經(jīng)典理論出發(fā)介紹一些光的吸收

3、、散射與色散方面的知識(shí)。本章從經(jīng)典理論出發(fā)介紹一些光的吸收、散射與色散方面的知識(shí)。26.1 電偶極輻射對(duì)反射和折射現(xiàn)象的解釋電偶極輻射對(duì)反射和折射現(xiàn)象的解釋1 分子電偶極子模型分子電偶極子模型經(jīng)典模型經(jīng)典模型用一組簡(jiǎn)諧振子代替實(shí)際物質(zhì)中的分子用一組簡(jiǎn)諧振子代替實(shí)際物質(zhì)中的分子電偶極子電偶極子由兩個(gè)電量相等、符號(hào)相反的帶電粒子所組成。由兩個(gè)電量相等、符號(hào)相反的帶電粒子所組成。偶極子的正、負(fù)電荷原有自己的平衡位置，但在外電場(chǎng)的作偶極子的正、負(fù)電荷原有自己的平衡位置，但在外電場(chǎng)的作用下他們離開(kāi)了平衡位置。用下他們離開(kāi)了平衡位置。理想模型理想模型假定偶極子之間的相互作用假定偶極子之間的相互作用準(zhǔn)彈性力

4、準(zhǔn)彈性力簡(jiǎn)諧振動(dòng)簡(jiǎn)諧振動(dòng)+e-e3分子電偶極矩分子電偶極矩設(shè)其在平衡位置附近作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，設(shè)其在平衡位置附近作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，并設(shè)正電荷靜止在坐標(biāo)原點(diǎn)并設(shè)正電荷靜止在坐標(biāo)原點(diǎn)電子電量電子電量電子離開(kāi)原子核的距離電子離開(kāi)原子核的距離電子振動(dòng)的圓頻率電子振動(dòng)的圓頻率0+e-e赤赤道道SZ 用球坐標(biāo)表示電偶極子向周圍用球坐標(biāo)表示電偶極子向周圍輻射的電磁波，偶極子的電偶極矩輻射的電磁波，偶極子的電偶極矩 P 沿沿 Z 軸，波的電矢量軸，波的電矢量 E 沿經(jīng)線；沿經(jīng)線；磁矢量沿緯線，各處的波都是線偏磁矢量沿緯線，各處的波都是線偏振的。振的。4可以證明，其輻射的電磁波可以證明，其輻射的電磁波坡印延矢量（能流密度矢

5、量）絕對(duì)值：坡印延矢量（能流密度矢量）絕對(duì)值：赤赤道道SZ輻射強(qiáng)度（坡印延矢量的平均值）：輻射強(qiáng)度（坡印延矢量的平均值）：R 為觀察者離偶極子的距離為觀察者離偶極子的距離5赤赤道道SZ 光在半徑為光在半徑為 R 的球面上各點(diǎn)的位的球面上各點(diǎn)的位相都相等，且較原點(diǎn)處落后相都相等，且較原點(diǎn)處落后 R/c，但但振幅則隨振幅則隨 角而變，這引起波的強(qiáng)度角而變，這引起波的強(qiáng)度在同一波面上的不均勻分布。在同一波面上的不均勻分布。I 和和 之間的關(guān)系之間的關(guān)系赤道面上赤道面上兩極兩極振幅振幅62.電偶極子輻射對(duì)反射和折射現(xiàn)象的解釋電偶極子輻射對(duì)反射和折射現(xiàn)象的解釋 入射光波作用于介質(zhì)分子（原子），波長(zhǎng)入（入

6、射光波作用于介質(zhì)分子（原子），波長(zhǎng)入（10-5cm）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原子間距（大于原子間距（10-8 cm），），分子是有序排列的，各分子將依分子是有序排列的，各分子將依次按入射光波到達(dá)該分子時(shí)的相位作受迫振動(dòng)并依次發(fā)出電磁次按入射光波到達(dá)該分子時(shí)的相位作受迫振動(dòng)并依次發(fā)出電磁波。各分子輻射的次波有一定位相關(guān)系。根據(jù)惠爾斯波。各分子輻射的次波有一定位相關(guān)系。根據(jù)惠爾斯菲涅耳菲涅耳原理，次波相干疊加的結(jié)果，在符合反射定律和折射定律的方原理，次波相干疊加的結(jié)果，在符合反射定律和折射定律的方向上，干涉相長(zhǎng)，其他方向干涉相消，即合成反射光和折射光向上，干涉相長(zhǎng)，其他方向干涉相消，即合成反射光和折射光波。波。亦

7、可用分子光學(xué)的觀點(diǎn)說(shuō)亦可用分子光學(xué)的觀點(diǎn)說(shuō)明布儒斯特定律（略）。明布儒斯特定律（略）。76.2 6.2 光的吸收光的吸收在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，若某種媒質(zhì)對(duì)于通過(guò)它的各種波在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，若某種媒質(zhì)對(duì)于通過(guò)它的各種波長(zhǎng)的光波都作等量（指能量）吸收，且吸收量很小。長(zhǎng)的光波都作等量（指能量）吸收，且吸收量很小。光通過(guò)具有吸收作用的介質(zhì)后，光的強(qiáng)度會(huì)逐漸衰減，一光通過(guò)具有吸收作用的介質(zhì)后，光的強(qiáng)度會(huì)逐漸衰減，一方面的原因是介質(zhì)對(duì)光的吸收，另一方面原因是介質(zhì)對(duì)光的散方面的原因是介質(zhì)對(duì)光的吸收，另一方面原因是介質(zhì)對(duì)光的散射引起的。射引起的。光通過(guò)呈現(xiàn)一般吸收性的媒質(zhì)時(shí)，光波幾乎都能從媒質(zhì)透光通過(guò)呈現(xiàn)一般吸收

8、性的媒質(zhì)時(shí)，光波幾乎都能從媒質(zhì)透射，因此又可說(shuō)媒質(zhì)對(duì)這一波長(zhǎng)范圍的光是透明的。通常所說(shuō)射，因此又可說(shuō)媒質(zhì)對(duì)這一波長(zhǎng)范圍的光是透明的。通常所說(shuō)的透明體，如玻璃、水晶，是指對(duì)白光呈現(xiàn)一般吸收性。的透明體，如玻璃、水晶，是指對(duì)白光呈現(xiàn)一般吸收性。除真除真空外，對(duì)全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光都透明的物體是不存在的。空外，對(duì)全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光都透明的物體是不存在的。一般吸收一般吸收 (普通吸收普通吸收)性性1.一般吸收和選擇吸收一般吸收和選擇吸收8例如，例如，lcm 厚的玻璃板對(duì)可見(jiàn)光范圍內(nèi)的各種波長(zhǎng)的光波都厚的玻璃板對(duì)可見(jiàn)光范圍內(nèi)的各種波長(zhǎng)的光波都等量吸收等量吸收 1%（即透射光的功率密度為入射光的（即透射光的

9、功率密度為入射光的 99%），然），然而玻璃對(duì)于波長(zhǎng)大于而玻璃對(duì)于波長(zhǎng)大于 2500nm的光波，或波長(zhǎng)在的光波，或波長(zhǎng)在 3.5 5.0nm 的光波幾乎都能完全吸收，因而對(duì)于紅外線或紫外線來(lái)說(shuō)，的光波幾乎都能完全吸收，因而對(duì)于紅外線或紫外線來(lái)說(shuō)，玻璃就成為非透明體了。玻璃就成為非透明體了。9 雖然橡皮對(duì)于可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)是一雖然橡皮對(duì)于可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)是一種非透明體，但它對(duì)于紅外線卻是種非透明體，但它對(duì)于紅外線卻是良透明體。良透明體。選擇吸收性選擇吸收性媒質(zhì)吸收某種波長(zhǎng)的光能比較顯著媒質(zhì)吸收某種波長(zhǎng)的光能比較顯著 如果不把光局限于可見(jiàn)光范圍以內(nèi)，可以說(shuō)一切物質(zhì)都如果不把光局限于可見(jiàn)光范圍以內(nèi)，可以說(shuō)一切物

10、質(zhì)都具有一般吸收和選擇吸收兩種特性。具有一般吸收和選擇吸收兩種特性。選擇吸收性是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因。例如，綠色玻璃是把選擇吸收性是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因。例如，綠色玻璃是把入射的黃色光和藍(lán)色光吸收掉，只剩下綠色光能夠透過(guò)去。入射的黃色光和藍(lán)色光吸收掉，只剩下綠色光能夠透過(guò)去。10一般吸收一般吸收吸收比較弱，基本不隨波長(zhǎng)而變化。吸收比較弱，基本不隨波長(zhǎng)而變化。選擇吸收選擇吸收吸收比較強(qiáng)，隨波長(zhǎng)發(fā)生急劇變化。吸收比較強(qiáng)，隨波長(zhǎng)發(fā)生急劇變化。自然界的物質(zhì)都具有自然界的物質(zhì)都具有選擇吸收，理想的一般吸收不存在，選擇吸收，理想的一般吸收不存在，只能在一小段范圍內(nèi)。只能在一小段范圍內(nèi)。I一般吸收區(qū)域一

11、般吸收區(qū)域選擇吸收區(qū)域選擇吸收區(qū)域112 2 朗伯定律朗伯定律光通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中的帶電粒子作受迫振動(dòng)，光波的光通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中的帶電粒子作受迫振動(dòng)，光波的一部分一部分能量能量用來(lái)供給粒子作用來(lái)供給粒子作受迫振動(dòng)所需的能量受迫振動(dòng)所需的能量。若物質(zhì)粒子與其它。若物質(zhì)粒子與其它分子或原子發(fā)生碰撞，分子或原子發(fā)生碰撞，振動(dòng)能量振動(dòng)能量就可能轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿舆\(yùn)動(dòng)的就可能轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿舆\(yùn)動(dòng)的平動(dòng)平動(dòng)動(dòng)能動(dòng)能，在這種情況下這部分，在這種情況下這部分光能量轉(zhuǎn)化為熱能光能量轉(zhuǎn)化為熱能，光能量消失。，光能量消失。1729 年，科學(xué)家年，科學(xué)家根據(jù)實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)建立一個(gè)吸收定律，后來(lái)，朗建立一個(gè)吸收定律，后來(lái)，朗 伯（伯

12、（J.H.Lambern)在在1760 又作了理論上的證明。又作了理論上的證明。在介質(zhì)中傳播距離在介質(zhì)中傳播距離朗伯定律朗伯定律光能減少值光能減少值吸收系數(shù)吸收系數(shù)12 用單色光照射時(shí)，用單色光照射時(shí)，a 可以認(rèn)為是不變的，右邊的負(fù)號(hào)表可以認(rèn)為是不變的，右邊的負(fù)號(hào)表示示 x 增加（增加（dx0）時(shí)，）時(shí)，I 減弱（減弱（dI0）。）。將上式積分，即可將上式積分，即可求出在通過(guò)厚度為求出在通過(guò)厚度為 d 的吸收層后的光強(qiáng)。的吸收層后的光強(qiáng)。朗伯定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式朗伯定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式13例如在一個(gè)大氣壓強(qiáng)下，空氣對(duì)可見(jiàn)光的例如在一個(gè)大氣壓強(qiáng)下，空氣對(duì)可見(jiàn)光的玻璃對(duì)可見(jiàn)光的玻璃對(duì)可見(jiàn)光的即光通過(guò)即光通

13、過(guò)的空氣，光強(qiáng)為的空氣，光強(qiáng)為光通過(guò)光通過(guò)102cm=1m 的玻璃，光強(qiáng)即降到入射光強(qiáng)的的玻璃，光強(qiáng)即降到入射光強(qiáng)的 36%。此規(guī)律在光的強(qiáng)度變化非常大的范圍內(nèi)（約此規(guī)律在光的強(qiáng)度變化非常大的范圍內(nèi)（約 1020 倍）倍）都是正確的。都是正確的。14適用范圍：線性光學(xué)領(lǐng)域，光強(qiáng)不能太強(qiáng)。適用范圍：線性光學(xué)領(lǐng)域，光強(qiáng)不能太強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)光被透明溶明：當(dāng)光被透明溶劑劑中溶解的物中溶解的物質(zhì)質(zhì)所所吸收吸收時(shí)時(shí)，吸收系數(shù)與溶液的，吸收系數(shù)與溶液的濃濃度度 C C 成正比成正比A A為一個(gè)與濃度無(wú)關(guān)的比例常數(shù)，表征吸收物質(zhì)的分子特性。為一個(gè)與濃度無(wú)關(guān)的比例常數(shù)，表征吸收物質(zhì)的分子特性。比爾定律比

14、爾定律代入朗伯定律得代入朗伯定律得 如果光強(qiáng)太強(qiáng)，如用激光，則光與物質(zhì)的非線性相互作用如果光強(qiáng)太強(qiáng)，如用激光，則光與物質(zhì)的非線性相互作用過(guò)程顯示出來(lái)了，在非線性光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，吸收系數(shù)將和其它許過(guò)程顯示出來(lái)了，在非線性光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，吸收系數(shù)將和其它許多系數(shù)（如折射率）一樣，依賴于電、磁場(chǎng)或光的強(qiáng)度，朗伯多系數(shù)（如折射率）一樣，依賴于電、磁場(chǎng)或光的強(qiáng)度，朗伯定律不再成立。定律不再成立。適用范圍：溶液濃度不能太高，這時(shí)每個(gè)分子的吸收本領(lǐng)不適用范圍：溶液濃度不能太高，這時(shí)每個(gè)分子的吸收本領(lǐng)不受周圍分子影響時(shí)比爾定律才能成立。受周圍分子影響時(shí)比爾定律才能成立。應(yīng)用：可根據(jù)應(yīng)用：可根據(jù) a 測(cè)定溶液的濃度，這

15、就是吸收光譜分析的原理。測(cè)定溶液的濃度，這就是吸收光譜分析的原理。153 3 吸收光譜吸收光譜一般地講，固體和液體選擇吸收的波長(zhǎng)范圍較寬，稱之一般地講，固體和液體選擇吸收的波長(zhǎng)范圍較寬，稱之為為吸收帶吸收帶；而稀薄氣體選擇吸收的波長(zhǎng)范圍很窄，表現(xiàn)；而稀薄氣體選擇吸收的波長(zhǎng)范圍很窄，表現(xiàn)為為吸收線吸收線。鈉的吸收光譜鈉的吸收光譜朗伯定律是吸收光譜的基本原理。入射的有連續(xù)波長(zhǎng)分布的朗伯定律是吸收光譜的基本原理。入射的有連續(xù)波長(zhǎng)分布的光，透過(guò)物質(zhì)后，在選擇吸收區(qū)域，在有些波長(zhǎng)范圍被強(qiáng)烈光，透過(guò)物質(zhì)后，在選擇吸收區(qū)域，在有些波長(zhǎng)范圍被強(qiáng)烈吸收，形成吸收，形成吸收光譜。吸收光譜。反映原子、分子結(jié)構(gòu)特征反

16、映原子、分子結(jié)構(gòu)特征原子光譜、紅外光譜原子光譜、紅外光譜大氣窗口大氣窗口空間遙感探測(cè)、氣象等研究空間遙感探測(cè)、氣象等研究16問(wèn)：天空為什么是藍(lán)的？旭日和夕陽(yáng)為什么是紅的，而中午的太陽(yáng)看起來(lái)又是白的？云云為什么是白白的？如果沒(méi)有空氣，天空又會(huì)是什么樣的呢？6.3 6.3 光的散射光的散射1 光的散射現(xiàn)象光的散射現(xiàn)象 當(dāng)光束通過(guò)均勻的透明介質(zhì)時(shí)，從側(cè)面是難以看到光的。但當(dāng)光束通過(guò)不均勻的透明介質(zhì)時(shí)，則從各個(gè)方向都可以看到光，這是介質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱為光的散射。例如，當(dāng)一束太陽(yáng)光從窗外射進(jìn)室外內(nèi)時(shí)，我們從側(cè)面可以看到光線的徑跡，就是因?yàn)樘?yáng)光被空氣中的灰塵散射的緣故

17、。17 光的吸收和散射都使原來(lái)傳播方向上的光減弱，也遵從光的吸收和散射都使原來(lái)傳播方向上的光減弱，也遵從下列負(fù)指數(shù)規(guī)律：下列負(fù)指數(shù)規(guī)律：a 為散射系數(shù)，為散射系數(shù)，s 為吸收系數(shù)，為吸收系數(shù)，a+s 稱為衰減系數(shù)。稱為衰減系數(shù)。散射的分類：散射的分類：按入射光按入射光的頻率是的頻率是否發(fā)生改否發(fā)生改變分類變分類18按物質(zhì)不均勻按物質(zhì)不均勻的性質(zhì)分類的性質(zhì)分類2）分子散射分子散射：純凈物質(zhì)由于分子熱：純凈物質(zhì)由于分子熱運(yùn)動(dòng)造成密度統(tǒng)計(jì)性漲落，而產(chǎn)生光運(yùn)動(dòng)造成密度統(tǒng)計(jì)性漲落，而產(chǎn)生光的散射現(xiàn)象。的散射現(xiàn)象。1）懸浮物質(zhì)散射）懸浮物質(zhì)散射：煙霧、塵埃、懸浮：煙霧、塵埃、懸浮液、乳濁液，質(zhì)點(diǎn)的線度液、

18、乳濁液，質(zhì)點(diǎn)的線度 入，質(zhì)點(diǎn)的無(wú)序排列，破入，質(zhì)點(diǎn)的無(wú)序排列，破壞次波相位關(guān)系，形成散射光。壞次波相位關(guān)系，形成散射光。按散射光強(qiáng)按散射光強(qiáng)與入射光波與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系來(lái)長(zhǎng)的關(guān)系來(lái)分類：分類：2）米氏米氏（G.Mie）或丁達(dá)爾或丁達(dá)爾(J.Tyndall)散射，散射，物質(zhì)點(diǎn)線度物質(zhì)點(diǎn)線度入。入。不遵從瑞利的入不遵從瑞利的入4 反比律反比律.1）瑞利散射瑞利散射 條件：分子散射或懸浮物質(zhì)條件：分子散射或懸浮物質(zhì)點(diǎn)線度點(diǎn)線度入，入，例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵的大氣中的散射的大氣中的散射.192 2、散射和反射、漫射和衍射現(xiàn)象的區(qū)別、散射和反射、漫射

19、和衍射現(xiàn)象的區(qū)別反射反射理想界面，物體線度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)。理想界面，物體線度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)。漫射漫射非理想界面，可看成許多無(wú)規(guī)小鏡面，非理想界面，可看成許多無(wú)規(guī)小鏡面，向各方向反射。向各方向反射。衍射衍射個(gè)別不均勻區(qū)域造成的，線度可與光的個(gè)別不均勻區(qū)域造成的，線度可與光的 波長(zhǎng)相比擬。波長(zhǎng)相比擬。散射散射大量，無(wú)規(guī)則排列，不均勻小區(qū)域集合造成的，大量，無(wú)規(guī)則排列，不均勻小區(qū)域集合造成的，線度可比光的波長(zhǎng)小，且小區(qū)域間發(fā)生不相干線度可比光的波長(zhǎng)小，且小區(qū)域間發(fā)生不相干 疊加。疊加。20 把線度小于光的波長(zhǎng)的微粒對(duì)入射光的散射，把線度小于光的波長(zhǎng)的微粒對(duì)入射光的散射，稱為稱為瑞利散射瑞利散射（Raylei

20、gh scattering）。）。瑞利散射不改變?cè)肷涔獾念l率。瑞利散射不改變?cè)肷涔獾念l率。3 瑞利散射瑞利散射瑞利散射時(shí)，由于藍(lán)光波長(zhǎng)較短，其散射強(qiáng)度就比波長(zhǎng)瑞利散射時(shí)，由于藍(lán)光波長(zhǎng)較短，其散射強(qiáng)度就比波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光強(qiáng)，因此散射光中藍(lán)光的成份較多。較長(zhǎng)的紅光強(qiáng)，因此散射光中藍(lán)光的成份較多。21 注意畫(huà)面上的香火形成的煙霧呈現(xiàn)出一種淺藍(lán)色這是由于注意畫(huà)面上的香火形成的煙霧呈現(xiàn)出一種淺藍(lán)色這是由于組成煙霧的炭粒子線度非常小，由這些煙霧產(chǎn)生的散射光符合組成煙霧的炭粒子線度非常小，由這些煙霧產(chǎn)生的散射光符合瑞利散射的條件，因此散射光中的藍(lán)光成份比紅光成份強(qiáng)得多。瑞利散射的條件，因此散射光中的藍(lán)光成

21、份比紅光成份強(qiáng)得多。我們平時(shí)所說(shuō)的我們平時(shí)所說(shuō)的“裊裊青煙。裊裊青煙?！闭f(shuō)是就是這種瑞利散射所產(chǎn)生說(shuō)是就是這種瑞利散射所產(chǎn)生的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。天空天空為什么是為什么是藍(lán)藍(lán)的？的？旭日旭日和和夕陽(yáng)夕陽(yáng)為什么是為什么是紅紅的，而中午的的，而中午的太陽(yáng)看起來(lái)又幾乎是太陽(yáng)看起來(lái)又幾乎是白白的？的？云云為什么是為什么是白白的？的？22 而在早晨或者黃昏，由于陽(yáng)光照射時(shí)要穿過(guò)比中午時(shí)更而在早晨或者黃昏，由于陽(yáng)光照射時(shí)要穿過(guò)比中午時(shí)更長(zhǎng)距離的大氣層，更多的藍(lán)光被散射因此太陽(yáng)看上去就會(huì)是長(zhǎng)距離的大氣層，更多的藍(lán)光被散射因此太陽(yáng)看上去就會(huì)是偏紅色的。偏紅色的。23 較大顆粒對(duì)光的散射不遵從瑞利的較大顆粒對(duì)光的散射

22、不遵從瑞利的的四次方反的四次方反比律。此時(shí)為比律。此時(shí)為Mie散射，散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)關(guān)系不大。散射，散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)關(guān)系不大。Mie散射或丁達(dá)爾散射和瑞利散射的規(guī)律不同，是否看到散射或丁達(dá)爾散射和瑞利散射的規(guī)律不同，是否看到藍(lán)天白云的根本原因。藍(lán)天白云的根本原因。24 黃山風(fēng)景山中的霧氣實(shí)際上是懸浮在空氣中的小液滴，是黃山風(fēng)景山中的霧氣實(shí)際上是懸浮在空氣中的小液滴，是一種很理想的散射源。由于液滴的尺寸比光波波長(zhǎng)大得多，主一種很理想的散射源。由于液滴的尺寸比光波波長(zhǎng)大得多，主要是要是Mie(丁達(dá)爾丁達(dá)爾)散射，散射光呈白色。散射，散射光呈白色。25在空氣條件好即空氣比較潔凈，懸浮塵埃較少時(shí)，主要是瑞

23、利在空氣條件好即空氣比較潔凈，懸浮塵埃較少時(shí)，主要是瑞利散射，散射光中藍(lán)色成份較多，這就是我們看到的藍(lán)天白云。散射，散射光中藍(lán)色成份較多，這就是我們看到的藍(lán)天白云。而在一些城市里，特別是大氣污染較嚴(yán)重的大城市里，由于空而在一些城市里，特別是大氣污染較嚴(yán)重的大城市里，由于空氣中充滿了線度較大的懸浮塵埃粒子，此時(shí)的散射光有很大一氣中充滿了線度較大的懸浮塵埃粒子，此時(shí)的散射光有很大一部分是丁達(dá)爾散射產(chǎn)生的呈白色。因此天空就是白茫茫的。部分是丁達(dá)爾散射產(chǎn)生的呈白色。因此天空就是白茫茫的。白云是大氣中的水滴組成的，這些水滴的半徑與可見(jiàn)光的波長(zhǎng)白云是大氣中的水滴組成的，這些水滴的半徑與可見(jiàn)光的波長(zhǎng)相比已不

24、算太小了，瑞利定律不再適用，按米散射理論，這樣相比已不算太小了，瑞利定律不再適用，按米散射理論，這樣大小的物質(zhì)產(chǎn)生的散射與波長(zhǎng)的關(guān)系不大，這就是云霧呈白色大小的物質(zhì)產(chǎn)生的散射與波長(zhǎng)的關(guān)系不大，這就是云霧呈白色的緣故。的緣故。26 一幢大樓晚上樓頂上的幾束強(qiáng)光刺破夜空，能看到這幾一幢大樓晚上樓頂上的幾束強(qiáng)光刺破夜空，能看到這幾道光束，就是散射的作用。如果城市上空的空氣不干凈，懸道光束，就是散射的作用。如果城市上空的空氣不干凈，懸浮塵埃越多，散射就越強(qiáng)，光束就會(huì)顯得很亮。反之，光束浮塵埃越多，散射就越強(qiáng)，光束就會(huì)顯得很亮。反之，光束就會(huì)顯得很淡。如果晚上基本上看不到這幾道光束了，也許就會(huì)顯得很淡。

25、如果晚上基本上看不到這幾道光束了，也許白天城市就會(huì)有藍(lán)色的天空了。白天城市就會(huì)有藍(lán)色的天空了。如果沒(méi)有空氣，天空又會(huì)是什么樣的呢？如果沒(méi)有空氣，天空又會(huì)是什么樣的呢？27*4 散射光的偏振性散射光的偏振性 散射光散射光(線偏振光線偏振光)透射光透射光 (自然光自然光)zx p y入射自然光入射自然光 B 散射光散射光(部分偏振光部分偏振光)散射光散射光(線偏振光線偏振光)如如圖圖示示，自自然然光光沿沿 z 方方向向入入射射，P 處處發(fā)發(fā)出出的的不不同同方方向向的的偶偶極極輻輻射射有有不不同同的的偏偏振振情情況況。例例如如沿沿 PB 方方向向觀觀察察到到的的只只是是部部分分偏偏振振光光，其其偏偏

26、振振度度隨隨 角角而而變變，天天空空大大氣氣散散射射的的日日光光就就是是部部分分偏振光。偏振光。自然光入射：自然光入射：透射光，自然光透射光，自然光;正側(cè)散射光正側(cè)散射光-線偏振光線偏振光;其它方向其它方向-部分偏振光部分偏振光.蜜蜂眼睛可以感知光的偏振性，它們蜜蜂眼睛可以感知光的偏振性，它們正是利用大氣對(duì)陽(yáng)光的散射光的偏振正是利用大氣對(duì)陽(yáng)光的散射光的偏振特性特性+自身的生物鐘準(zhǔn)確回巢的！自身的生物鐘準(zhǔn)確回巢的！退偏振退偏振：上述偏振是對(duì)于各項(xiàng)同性的物體對(duì)光的散射，但自然光經(jīng)過(guò)各項(xiàng)異性的物體要復(fù)雜的多，例如，線偏線偏振光的經(jīng)各項(xiàng)異性物體散射振光的經(jīng)各項(xiàng)異性物體散射后從側(cè)向觀察散射光是部分后從側(cè)

27、向觀察散射光是部分偏振性的，這種現(xiàn)象稱為退偏振性的，這種現(xiàn)象稱為退偏振。偏振。28 設(shè)自然光的強(qiáng)度為設(shè)自然光的強(qiáng)度為 I0，沿沿 x 軸正向傳播，可看作沿軸正向傳播，可看作沿 y 軸軸方向和方向和 z 軸方向兩個(gè)振幅相等無(wú)固定位相關(guān)系的振動(dòng)分量的軸方向兩個(gè)振幅相等無(wú)固定位相關(guān)系的振動(dòng)分量的不相干疊加，不相干疊加，*5 散射光的強(qiáng)度散射光的強(qiáng)度:從從 OC(在在xoz內(nèi)內(nèi))方向觀察（散射角為方向觀察（散射角為 ）,有有分子沿分子沿 y y 軸方向振動(dòng)時(shí)，軸方向振動(dòng)時(shí)，分子沿分子沿 z z 軸方向振動(dòng)時(shí)，軸方向振動(dòng)時(shí)，ygaOCxz296.4 光的色散光的色散 1672 年牛頓首先利用三棱鏡的色散

28、效應(yīng)把年牛頓首先利用三棱鏡的色散效應(yīng)把日光分解為彩色光帶。他還曾利用正交叉棱日光分解為彩色光帶。他還曾利用正交叉棱鏡法把色散曲線非常直觀的顯示出來(lái)。鏡法把色散曲線非常直觀的顯示出來(lái)。色散色散光在媒質(zhì)中的傳播速度光在媒質(zhì)中的傳播速度 v（或或 n）隨波長(zhǎng)隨波長(zhǎng)而異的現(xiàn)象，稱為色散。而異的現(xiàn)象，稱為色散。30 棱鏡棱鏡 P1 和和 P2 的棱邊相互垂直，從的棱邊相互垂直，從 S 發(fā)出的白光經(jīng)透鏡發(fā)出的白光經(jīng)透鏡 L1 變?yōu)槠叫泄馐?，通過(guò)變?yōu)槠叫泄馐?，通過(guò) P1 后沿水平方向偏折，如果在光路中不后沿水平方向偏折，如果在光路中不放置棱鏡放置棱鏡 P2，光束由光束由 P1 經(jīng)透鏡經(jīng)透鏡 L2 后將在幕上

29、形成水平的彩后將在幕上形成水平的彩色光帶色光帶 ab，插入棱鏡插入棱鏡 P2 時(shí)，各色光束還要向下偏折，但偏折時(shí)，各色光束還要向下偏折，但偏折程度隨波長(zhǎng)而異，于是幕上顯現(xiàn)傾斜的光帶程度隨波長(zhǎng)而異，于是幕上顯現(xiàn)傾斜的光帶 ab，如果制做棱如果制做棱鏡鏡 P1 和和 P2 材料的色散規(guī)律（即材料的色散規(guī)律（即 n 與與 的依賴關(guān)系）不同，傾的依賴關(guān)系）不同，傾斜光帶將是彎曲的，它形象直觀地反映了兩種材料色散性能的斜光帶將是彎曲的，它形象直觀地反映了兩種材料色散性能的差異。差異。31色散曲線色散曲線折射率折射率 n n 與波長(zhǎng)與波長(zhǎng)之間的依賴關(guān)系曲線之間的依賴關(guān)系曲線.凡在可見(jiàn)光范圍內(nèi)無(wú)色透明的物質(zhì)

30、，它們的色散曲線形式凡在可見(jiàn)光范圍內(nèi)無(wú)色透明的物質(zhì)，它們的色散曲線形式上很相似，其間有許多的特點(diǎn)，如上很相似，其間有許多的特點(diǎn)，如 n n 隨隨 的增加而單調(diào)下降，的增加而單調(diào)下降，且下降率在短波一端更大等等。這種色散稱為且下降率在短波一端更大等等。這種色散稱為正常色散正常色散。1836 1836 年柯希（年柯希（A A，L,Cauchy L,Cauchy）給出一個(gè)正給出一個(gè)正常色散的經(jīng)驗(yàn)公式：常色散的經(jīng)驗(yàn)公式：柯希方程柯希方程正常色散正常色散的的色散曲色散曲線線 32上述上述規(guī)規(guī)律表明，正常色散律表明，正常色散時(shí)時(shí) n 隨隨 的增加而的增加而趨趨于某一極限，于某一極限，色散率色散率 dn/d

31、 0，其其絕對(duì)值絕對(duì)值隨隨 的增加而減小。的增加而減小。正常色散正常色散的的色散曲色散曲線線 對(duì)上式求導(dǎo)對(duì)上式求導(dǎo),可得到材料的色散率為可得到材料的色散率為式中式中 a a，b b，c c 是與物質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，其數(shù)值由是與物質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，其數(shù)值由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。其中是真空中的波長(zhǎng)是真空中的波長(zhǎng),當(dāng)當(dāng) 變變化范圍不大時(shí)，柯希公式可只取前兩項(xiàng)，即化范圍不大時(shí)，柯希公式可只取前兩項(xiàng)，即33正常色散曲線的特點(diǎn)正常色散曲線的特點(diǎn) 波長(zhǎng)越短，折射率越大；波長(zhǎng)越短，折射率越大；波長(zhǎng)越短，波長(zhǎng)越短，dn/ddn/d 越大，色散率也越大；越大，色散率也越大；在波長(zhǎng)一定時(shí)，不同物質(zhì)的折射率越大，在

32、波長(zhǎng)一定時(shí)，不同物質(zhì)的折射率越大，dn/ddn/d 也越大；也越大；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。正常色散正常色散的的色散曲色散曲線線 34反常色散反常色散在吸收波段附近和吸收波段內(nèi)物質(zhì)所表現(xiàn)在吸收波段附近和吸收波段內(nèi)物質(zhì)所表現(xiàn)出的與出的與科科希公式推斷的結(jié)果希公式推斷的結(jié)果不同的不同的色散，稱為色散，稱為反常色散反常色散?？酌摱桑悍闯Ｉ⒖偸桥c光的吸收有密切聯(lián)系?？酌摱桑悍闯Ｉ⒖偸桥c光的吸收有密切聯(lián)系。35 “反常色散反常色散”的名稱是歷史沿用下來(lái)的，其實(shí)反常色散的名稱是歷史沿用下來(lái)的，其實(shí)反常色散是任何物質(zhì)在吸收線（或吸收帶）附近所共有的

33、現(xiàn)象，本來(lái)是任何物質(zhì)在吸收線（或吸收帶）附近所共有的現(xiàn)象，本來(lái)無(wú)所謂無(wú)所謂“正常正?！焙秃汀胺闯７闯！薄?871年，年，W.塞耳塞耳邁邁耶耶爾爾用用彈彈性以太理性以太理論導(dǎo)論導(dǎo)出了新的色出了新的色散公式，它比柯西公式更普遍，不散公式，它比柯西公式更普遍，不僅僅解解釋釋了吸收了吸收帶帶附近的附近的色散色散現(xiàn)現(xiàn)象，而且在象，而且在遠(yuǎn)遠(yuǎn)離吸收離吸收帶時(shí)帶時(shí)就就簡(jiǎn)簡(jiǎn)化成柯西公式。化成柯西公式。H.A.洛洛倫茲倫茲根據(jù)由他根據(jù)由他創(chuàng)創(chuàng)立的立的電電子子論論也也導(dǎo)導(dǎo)出了塞耳出了塞耳邁邁耶耶爾爾色散公色散公式。式。色散的色散的嚴(yán)嚴(yán)格理格理論論解解釋釋需用量子力學(xué)需用量子力學(xué)。利用介利用介質(zhì)質(zhì)的色散性的色散性質(zhì)質(zhì)可制成色散器件，把復(fù)色光分解成光可制成色散器件，把復(fù)色光分解成光譜譜，但另一方面，色散是成像元件，但另一方面，色散是成像元件產(chǎn)產(chǎn)生色像差的原因。生色像差的原因。36