13第六章 光的吸收、散射和色散

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1、 第六章光的吸收、散射和色散 課程的引入課程的引入: 前面各章主要講授光的傳播，從幾何光學(xué)和波動光學(xué)探討了物的成像和光的干涉、衍射； 除了研究在各向同性均勻媒質(zhì)中光的傳播，還研究了光在各向異性媒質(zhì)中的傳播，主要是光在單軸晶體內(nèi)的傳播，如雙折射現(xiàn)象，光學(xué)偏振器，波晶片等； 其有一個共同的特點，即光在媒質(zhì)內(nèi)傳光在媒質(zhì)內(nèi)傳播的過程中，不存在能量的損失。播的過程中，不存在能量的損失。 除了真空，沒有一種媒質(zhì)在嚴(yán)格意義上對光波是絕對透明的，光通過媒質(zhì)時，部分光被媒質(zhì)吸收，另一部分光被散射，余下來的部分按原來的傳播方向繼續(xù)前進； 另一方面，不同波長的光在媒質(zhì)中有不同的傳播速度，即媒質(zhì)對不同波長的光有不同的

2、折射率；一束白光或多色光只要入射角不為零，不同波長的光就會按不同折射角而散開，這就是色散（如以前所講過的三棱鏡的色散）。 光的吸收、色散和散射是光在媒質(zhì)中傳播所發(fā)生的普遍現(xiàn)象，它們之間是相互聯(lián)系的，研究這類現(xiàn)象，一方面可以了解光與物質(zhì)的相互作用，有助于對光的本性的進一步了解，也可以得到許多有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要知識，促進應(yīng)用光學(xué)的進一步發(fā)展。6.26.2 光的吸收光的吸收一般吸收一般吸收吸收比較弱，基本不隨波長而變化。吸收比較弱，基本不隨波長而變化。選擇吸收選擇吸收吸收比較強，隨波長發(fā)生急劇變化。吸收比較強，隨波長發(fā)生急劇變化。一、一、一般吸收和選擇吸收一般吸收和選擇吸收自然界的物質(zhì)都具有自然界的

3、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)域一般吸收區(qū)域選擇吸收區(qū)域選擇吸收區(qū)域(nm)I(a.u.)(nm)I(a.u.)樣樣品品 若物質(zhì)對各種波長的吸收程度幾乎相等，即吸收系數(shù)與無關(guān)。 在可見光范圍內(nèi)，意味著光束通過媒質(zhì)后只改變強度，不改變顏色。如：空氣、純水、無色玻璃等媒質(zhì)。三、光的吸收與波長的關(guān)系三、光的吸收與波長的關(guān)系1、普遍吸收：、普遍吸收：若物質(zhì)對各種波長的吸收程度幾乎相等，即吸收系數(shù)與無關(guān)。 在可見光范圍內(nèi)，意味著光束通過媒質(zhì)后只改變強度，不改變顏色。如：空氣、純水、無色玻璃等媒質(zhì)。2、選擇吸

4、收：、選擇吸收：若物質(zhì)對某些波長的光吸收特別強烈。 由于可見光進行選擇吸收，會使白光變?yōu)椴噬狻＝^大部分物體呈現(xiàn)顏色，都是其表面或體內(nèi)對可見光進行選擇吸收的結(jié)果。(nm)I(a.u.)樣樣品品選擇吸收：選擇吸收：若物質(zhì)對某些波長的光吸收特別強烈。 由于可見光進行選擇吸收，會使白光變?yōu)椴噬?。絕大部分物體呈現(xiàn)顏色，都是其表面或體內(nèi)對可見光進行選擇吸收的結(jié)果。(nm)I(a.u.)吸收的線性規(guī)律吸收的線性規(guī)律 光的強度隨穿進媒質(zhì)的深度而減小，這種現(xiàn)象稱為媒質(zhì)對光的吸收。 二、二、朗伯定律朗伯定律吸收的線性規(guī)律吸收的線性規(guī)律朗伯定律朗伯定律 單色平行光束沿X方向通過均勻媒質(zhì)，光的強度在經(jīng)過厚度為dx

5、的一層媒質(zhì)時： I IdII0II-dIdxxx+dxlx實驗表明：在光強范圍內(nèi) dI Idx 令： dI = Idx 與I無關(guān)，與波長有關(guān)。稱為吸收系數(shù)寫成指數(shù)關(guān)系式為： I=I0el 此稱為朗伯定律朗伯定律。 吸收系數(shù)吸收系數(shù)化學(xué)上：化學(xué)上：lCAeII0C C溶液濃度溶液濃度A A 與溶質(zhì)性質(zhì)有關(guān)與溶質(zhì)性質(zhì)有關(guān)1.與媒質(zhì)有關(guān)與媒質(zhì)有關(guān)2.與波長有關(guān)與波長有關(guān)一般吸收區(qū)域一般吸收區(qū)域 小，基本不變小，基本不變 選擇吸收區(qū)域選擇吸收區(qū)域 大，大，隨波長急劇變化隨波長急劇變化三、三、吸收光譜吸收光譜 朗伯定律是吸收光譜的基本原理。入射的有連續(xù)波長分朗伯定律是吸收光譜的基本原理。入射的有連續(xù)波長

6、分布的光，透過物質(zhì)后，在選擇吸收區(qū)域，有些波長范圍的光布的光，透過物質(zhì)后，在選擇吸收區(qū)域，有些波長范圍的光被強烈吸收，形成被強烈吸收，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a)(nm 地球大氣層對可見光和波長3000A以上的紫外線是透明的，波長短于3000A的紫外線將被空氣中的臭氧層強烈吸收。 對于紅外輻射，大氣層在某些狹窄的波段內(nèi)是透明的，透明的波段稱為“大氣窗口”。 例：35um和814um是大氣的兩個窗口。利用這兩個窗口，可以實現(xiàn)紅外遙感和遙測，天氣預(yù)報測量，軍事領(lǐng)域可以進行紅外制導(dǎo)和紅外跟蹤。oo觀察吸收光譜的試驗裝置剛玉紅

7、寶石白寶石三基色三基色彩色顯示器顯示單元彩色顯示器顯示單元XYZ色度圖色度圖 當(dāng)光束通過均勻的透明介質(zhì)時，從側(cè)面是難以看到光的。但當(dāng)光束通過不均勻的透明介質(zhì)時，則從各個方向都可以看到光，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)一束太陽光從窗外射進室內(nèi)時，我們從側(cè)面可以看到光線的徑跡，就是因為太陽光被空氣中的灰塵散射的緣故。 6.36.3 光的散射光的散射光的散射光的散射光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時，光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時， 向側(cè)向傳播的現(xiàn)象。向側(cè)向傳播的現(xiàn)象。原傳播方向上的光強：原傳播方向上的光強：lleIeIIsa00 a a吸收系數(shù)，吸收系

8、數(shù)， s s散射系數(shù)散射系數(shù)一、一、非均勻介質(zhì)中的散射非均勻介質(zhì)中的散射二、二、散射和反射、漫射和衍射現(xiàn)象的區(qū)別散射和反射、漫射和衍射現(xiàn)象的區(qū)別反射反射理想界面，物體線度遠大于波長。理想界面，物體線度遠大于波長。漫射漫射非理想界面，可看成許多無規(guī)小鏡面，非理想界面，可看成許多無規(guī)小鏡面， 向各方向反射。向各方向反射。衍射衍射個別不均勻區(qū)域造成的，線度可與光的個別不均勻區(qū)域造成的，線度可與光的 波長相比擬。波長相比擬。散射散射大量，無規(guī)則排列，不均勻小區(qū)域集合造成大量，無規(guī)則排列，不均勻小區(qū)域集合造成 的的, ,線度可比光的波長小，且小區(qū)域間發(fā)生不相干疊加。線度可比光的波長小，且小區(qū)域間發(fā)生不相

9、干疊加。散射類型散射類型 1、 瑞利散射瑞利散射 發(fā)生于混濁介質(zhì)中。原因是在混濁介質(zhì)中包含許多線度發(fā)生于混濁介質(zhì)中。原因是在混濁介質(zhì)中包含許多線度 比波長更小的、折射率不同的其他物質(zhì)的微粒比波長更小的、折射率不同的其他物質(zhì)的微粒 2 、分子散射、分子散射 發(fā)生于表面看來均勻純凈的介質(zhì)中。即使十分純凈的液發(fā)生于表面看來均勻純凈的介質(zhì)中。即使十分純凈的液 體體或氣體，也能產(chǎn)生比較微弱的散射，這是由于分子熱運動造成或氣體，也能產(chǎn)生比較微弱的散射，這是由于分子熱運動造成密度的局部漲落引起的，這種散射，稱為分子散射，物質(zhì)處臨密度的局部漲落引起的，這種散射，稱為分子散射，物質(zhì)處臨界點時密度張落很大，光線照

10、射在其上，就會發(fā)生強烈的分子界點時密度張落很大，光線照射在其上，就會發(fā)生強烈的分子散射。散射。三、三、瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射線度小于光的波長的微粒對入射光線度小于光的波長的微粒對入射光 的散射現(xiàn)象。的散射現(xiàn)象。41I散射光強度：散射光強度：瑞利定律瑞利定律 瑞利定律的適用條件是散射體的尺度比光的瑞利定律的適用條件是散射體的尺度比光的波長小，波長小， 較大顆粒對光的散射不遵從瑞利的較大顆粒對光的散射不遵從瑞利的的的四次方反比律。四次方反比律。問：天空為什么是藍的？ 首先，白晝天空之所以是亮的，完全是大氣散射陽光首先，白晝天空之所以是亮的，完全是大氣散射陽光的結(jié)果。如果沒有大氣，即使在白

11、晝，人們仰觀天空，將的結(jié)果。如果沒有大氣，即使在白晝，人們仰觀天空，將看到光輝奪目的太陽懸掛在漆黑的背景中。這景象是宇航看到光輝奪目的太陽懸掛在漆黑的背景中。這景象是宇航員司空見慣了的。由于大氣的散射，將陽光從各個方向射員司空見慣了的。由于大氣的散射，將陽光從各個方向射向觀察者，我們才看到了光亮的天穹，向觀察者，我們才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光按瑞利定律，白光中的短波成分（藍紫色）遭到散射比長波成分（紅黃色）中的短波成分（藍紫色）遭到散射比長波成分（紅黃色）強烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚藍色。強烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚藍色。旭日和夕陽為什么是紅的？云 由于白光中的短成分

12、被更多地散射掉了，在由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余較多的自然是長波成分了。早直射的日光中剩余較多的自然是長波成分了。早晚陽光以很大的傾角穿過大氣層，經(jīng)歷大氣層的晚陽光以很大的傾角穿過大氣層，經(jīng)歷大氣層的厚度要比中午時大得多，從而大氣的散射效應(yīng)也厚度要比中午時大得多，從而大氣的散射效應(yīng)也要強烈得多，這便是旭日初升時顏色顯得特別殷要強烈得多，這便是旭日初升時顏色顯得特別殷紅的原因。紅的原因。 白云是大氣中的水滴組成的，因為這些白云是大氣中的水滴組成的，因為這些水滴的半徑與可見光的波長相比已不算太小水滴的半徑與可見光的波長相比已不算太小了，瑞利定律不再適用，這樣大小的物質(zhì)產(chǎn)了

13、，瑞利定律不再適用，這樣大小的物質(zhì)產(chǎn)生的散射與波長的關(guān)系不大，這就是云霧呈生的散射與波長的關(guān)系不大，這就是云霧呈白色的緣故。白色的緣故。 云為什么是白的？4、散射光的偏振特性：、散射光的偏振特性：白光通過渾濁物質(zhì)時，沿z 方向，散射光呈青藍色，沿x方向，散射光呈紅色。為什么用紅色信號燈，遙感技為什么用紅色信號燈，遙感技術(shù)采用紅外線。術(shù)采用紅外線。 定義：光通過介質(zhì)時，傳播速度隨頻率（波長）而變化，因而定義：光通過介質(zhì)時，傳播速度隨頻率（波長）而變化，因而不同波長的光具有不同的折射率值的現(xiàn)象。不同波長的光具有不同的折射率值的現(xiàn)象。 41 色散現(xiàn)象與經(jīng)典電磁理論的矛盾色散現(xiàn)象與經(jīng)典電磁理論的矛盾由

14、麥克斯韋方程組可得：由麥克斯韋方程組可得：rrrrrvcncvc,100 由此可得由此可得 n 與頻率與頻率 、波長波長 無關(guān)。無關(guān)。色散現(xiàn)象的客觀存在說明了電磁理論存在缺陷。只有在深入色散現(xiàn)象的客觀存在說明了電磁理論存在缺陷。只有在深入研究物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，才能解釋折射率隨頻率變化的研究物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，才能解釋折射率隨頻率變化的原因。原因。 物質(zhì)的色散特性可用角色散率物質(zhì)的色散特性可用角色散率D描述：描述：ddD 42 色散曲線和光譜色散曲線和光譜 實驗中用正交棱鏡觀察法測量色散曲線，參見圖。實驗中用正交棱鏡觀察法測量色散曲線，參見圖。色散曲線：色散曲線：牛頓正交棱鏡實驗 n柯希公

15、式牛頓正交棱鏡實驗牛頓正交棱鏡實驗n正常色散的科希公式（經(jīng)驗公式）42CBAn通?？梢匀∏皟身?BnAA，B，C是與材料有關(guān)的常數(shù)色散曲線的特點：色散曲線的特點： 1、隨著波長值的變大，折射率值減小。、隨著波長值的變大，折射率值減小。 2、短波段色散曲線斜率較大，角色散率較大。、短波段色散曲線斜率較大，角色散率較大。 3、波長一定，介質(zhì)的折射率越大，色散曲線斜率越大。、波長一定，介質(zhì)的折射率越大，色散曲線斜率越大。特點：特點：1、光譜線是非均勻排布的。、光譜線是非均勻排布的。 2、短波段的角色散率比長波段的大、短波段的角色散率比長波段的大 3、折射率大則角色散率大，光譜展開得寬、折射率大則角色散率大，光譜展開得寬色散光譜：色散光譜：利用攝譜儀拍攝了幾種物質(zhì)的色散光譜如下：利用攝譜儀拍攝了幾種物質(zhì)的色散光譜如下：吸收帶n反常色散 實驗表明，在強烈吸收的波段，色散曲線的形狀與正常色散曲線大不相同，產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲或割斷現(xiàn)象，此稱為反常色散。 反常色散是任何物質(zhì)在吸收線（或吸收帶）附近所共有的現(xiàn)象，本無所謂“正常”和 “反?！?，只是歷史上曾這樣稱呼而沿用下來的。石英晶體在紅外區(qū)域中的反常色散特性曲線