光的吸收、色散和散射

光的吸收、色散和散射波动及近代光学1光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射波动及近代光学2光的吸收、色散和散射理论主要讨论光与物质的相互作用。这类现象的研究有两方面的意义：一方面进一步了解光的本性，另一方面可得到许多有关物质结构的信息。光的吸收、色散和散射波动及近代光学3光射入媒质，主要发生两个方面的变化：①强度逐渐减弱吸收和散射②速度小于，且随变化色散c定性讨论光的吸收，色散和散射现象及其经典解释。光与物质相互作用的严格理论由量子力学与量子电动力学讨论。光的吸收、色散和散射波动及近代光学电偶极子模型光物质，物质中分子，原子或离子中电荷在作用下受迫振动。E分子看作做简谐振动的电偶极子理想模型振子在振动时，发射次级电磁波。此模型是粗略的，却有一定的实验基础（如高温低压气体会发射或吸收特定频率的光波），也能定性解释一些现象，并为用量子理论解释作准备。分子光学的基本概念光的吸收、色散和散射波动及近代光学•光的吸收除了真空，没有一种物质对电磁波是绝对透明的，光进入物质，使带电粒子受迫振动，一部分光能振动能平均动能。使分子热运动能量增加，即光能转化成热能，光能减少吸收。分子碰撞光的吸收、色散和散射波动及近代光学一吸收的线性规律1.朗伯定律0Idxxdxxxl实验表明，在相当广阔的光强范围IdxdIIdxdIa即：光通过dxdIII•光的吸收比例系数与光强无关（对给定波长）该物质的吸收系数a光的吸收、色散和散射波动及近代光学若光通过厚度为的媒质ldxIdIalIIdxIdI0a0lIIae0朗伯定律（J.H.Lambert，1729）亦称为布格尔定律（P.Bouguer，1729）•光的吸收光的吸收、色散和散射波动及近代光学2.比尔定律实验证明：当光被透明溶剂中溶解的物质所吸收时，与浓度成正比。cAca是一个与浓度无关的常数。（表征吸收物质的分子特性）AAclIIe0比尔定律它适用于浓度不太大的情况。这是吸收光谱分析的原理。•光的吸收光的吸收、色散和散射波动及近代光学光吸收的线性规律（如上）：在光强不太强时(Laser出现以前)相当精确，Laser发明后，人们获得了光强比原来大几个乃至十几个数量级的光源，光和物质的非线性作用显示出来非线性光学。这时，将与其它许多系数(如n)一样，与电、磁场或光强有关，朗伯定律不再成立。3.说明•光的吸收光的吸收、色散和散射波动及近代光学二光的吸收与波长的关系可见光范围内普遍吸收光通过媒质只改变强度不改变颜色。1.普遍吸收（一般吸收）：某物质对各种波长的光的吸收程度几乎相等，即与无关（如空气，纯水，无色玻璃等在可见光范围内）2.选择吸收：物质对某些波长的光的吸收特别强烈。对可见光的选择吸收，会使白光彩色光•光的吸收光的吸收、色散和散射波动及近代光学绝大部分物体呈现颜色，都是其表面或体内对可见光的选择吸收的结果。选择吸收是光与物质作用的普遍规律，对广阔的电磁波谱而言，普遍吸收的媒质不存在。如地球大气对可见光和的紫外线透明。的紫外线被臭氧强烈吸收。对红外线，大气只是在某些狭窄波段内透明大气窗口。这里吸收物质是水蒸汽。研究“大气窗口”的变化在红外技术和气象预报中应用广泛。nm300nm3004-2光的吸收光的吸收、色散和散射波动及近代光学三吸收光谱1.光谱实验：观测物质对光的选择吸收。吸收物质白光S光谱仪分光计可调谐扫描激光（染料）•光的吸收光的吸收、色散和散射波动及近代光学132.吸收光谱Na蒸气吸收光谱•光的吸收光的吸收、色散和散射波动及近代光学同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有对应关系。具有连续谱的光通过吸收物质后再经光谱仪分析，显示出某些波段或某些波长的光被吸收吸收光谱。物质的发射和吸收光谱有三种：线光谱（原子气体），带光谱（分子气体，液体，固体）和连续光谱。•光的吸收光的吸收、色散和散射波动及近代光学灵敏度很高，混合物或化合物中极少量原子含量的变化，会在光谱中反映出吸收系数很大的改变光谱分析（理论研究和生产、生活）。历史上靠这种方法发现了铯，铷，铊，铟，镓等新元素。3.应用•光的吸收光的吸收、色散和散射波动及近代光学He元素的发现：1868(法)严森在太阳光谱中发现一些不知来源的暗线（吸收线），英国天文学家洛克厄把这一现象解释为存在一种未知元素，取名为氦(源于希腊文太阳之意)。此元素直到1894年才被英国化学家莱姆赛从钇铀矿物蜕变出的气体中发现，说明地球上也存在He。•光的吸收光的吸收、色散和散射波动及近代光学一色散现象不同频率的光在同一物质中传播速度不同，即物质的折射率与光的频率有关，而折射率取决于真空中光速与物质中光速之比。（1672年牛顿）•光的色散光的吸收、色散和散射波动及近代光学二色散与经典电磁理论色散现象也是光和物质相互作用的结果，可用分子电偶极子模型的受迫振动来解释，但Maxwell理论无法解释。根据Maxwell理论：001crrcv（非铁磁质）rrrvcn与频率无关•光的色散光的吸收、色散和散射波动及近代光学因为此理论中，没有有关物质特性的引入，后来洛仑兹的经典电子论找到了电磁场频率与的关系，由此得到与的关系，阐明了色散现象。rn三色散的特点棱镜色散（色散光谱）非匀排光栅色散（光栅光谱）匀排•光的色散光的吸收、色散和散射波动及近代光学ddnAnAddD)2(sin1)2sin(222棱镜色散：角色散率同一物质在不同波长区的不同，各种物质的色散没有简单的关系。研究此问题关键是找出各波长区之值，或函数。Dddn)(fn•光的色散光的吸收、色散和散射波动及近代光学四正交棱镜观察法最清楚的显示色散的的方法（牛顿用过）阅P196图6-2五正常色散和反常色散分析色散曲线P197图6-3的几个特点小大n小大ddn•光的色散光的吸收、色散和散射波动及近代光学不同物质大大.constddnn不同物质的色散曲线没有简单的相似关系。1.正常色散：波长越短，折射率越大。反常色散：反之。例1：鲁氏在1862年用充满碘蒸气的三棱柱形容器观察光通过它的折射，发现青色光比红光折射小。例2：光通过品红溶液，紫光偏转比红光小。•光的色散光的吸收、色散和散射波动及近代光学2.孔脱定律：反常色散总是与光的吸收有密切联系“反常”的含义：并不反常，很普遍。“反常”色散和“正常”色散仅是历史上的名词沿用下来的。任何物质在红外或紫外光谱中只要有选择吸收存在，在这些区域中总表现出反常色散（普遍的孔脱定律）。只有当波长在两个吸收带中间且远离它们时，所谓“正常”色散才发生。•光的色散光的吸收、色散和散射波动及近代光学24实验色散曲线介质的色散曲线可见光重火石玻璃轻火石玻璃水晶冕玻璃荧石n1.701.601.501.4002001000800400600nm/正常色散曲线•光的色散光的吸收、色散和散射波动及近代光学六色散方程1柯西方程：柯西于1836年用玻璃及透明液体在可见光区域得到一个与关系的经验公式正常色散曲线n42cban说明：①式中：入射光在真空中的波长。物质常数，对每一种物质，均应由实验测定。cba，，•光的色散光的吸收、色散和散射波动及近代光学②此式在可见光区域对正常色散相当准确。③大多数情况，取前两次就足够。2ban即：32bddn色散•光的色散光的吸收、色散和散射波动及近代光学2塞耳迈尔方程：塞耳迈尔于1871年，根据介质分子具有不同固有振动频率的假定，从理论上说明了在吸收带附近和远离吸收带处的全部色散情况。202221bn说明：①式中：入射光在真空中的波长。：物质常数：和固有频率有关。b0c00•光的色散光的吸收、色散和散射波动及近代光学②不但正确表达了正常色散，也近似地表达了吸收带附近地反常色散。但有严重缺点：（无限趋近吸收带）在长波一边，在短波一边，无意义。n0n③同一介质分子振子可能有几种固有频率（对应）210,,210,,•光的色散光的吸收、色散和散射波动及近代光学212212022021bbniiib22213亥姆霍兹方程（略）•光的色散光的吸收、色散和散射波动及近代光学30散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也能够清楚地看到这些介质散射的光。这种现象就是光的散射。下图是1984年9月北京天安门广场激光表演调试时的照片。我们能看到划破夜空，射向天空的激光，就是利用了光的散射现象。•光的散射光的吸收、色散和散射波动及近代光学31光的吸收、色散和散射波动及近代光学一光的散射现象在不均匀媒质中，从侧面能看到光束轨迹，这是媒质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果散射现象。lsIIe0总的：llIIIsee0)(0as：散射系数：衰减系数•光的散射光的吸收、色散和散射波动及近代光学二散射与媒质不均匀性的关系①均匀媒质：受迫振动发出的相干次波，相干叠加结果只剩下遵从几何光学规律的光线，沿其余方向振动完全抵消。散射的经典图像•光的散射光的吸收、色散和散射波动及近代光学②不均匀媒质：（均匀物质中散布着n与它不同的大量其它物质微粒或物质本身组成部分(粒子)不规则聚集），不均匀性达到波长量级，在光波作用下成为差别较大的次波源。这些次波(不)相干叠加结果，与均匀媒质不同，除了按几何光学规律传播的光线外，其它方向或多或少也有光线存在散射光。•光的散射光的吸收、色散和散射波动及近代光学③若不均匀团块尺度，散射又可看成是在这些团块上的反射和折射。•光的散射光的吸收、色散和散射波动及近代光学按不均匀团块的情况，散射可分为两大类：(1)悬浮质点的散射：如胶体，乳状液，含有烟雾、尘埃的大气等。(2)分子散射：分子热运动造成密度的局部涨落引起的散射。如：十分纯净的液体或气体，也能产生较微弱的散射。物质处在临界点时密度涨落很大，会发生强烈的分子散射临界乳光。•光的散射光的吸收、色散和散射波动及近代光学三瑞利散射天空为什么是蓝色的？云朵为什么是白的？（米氏散射，水滴与波长比拟）朝（晚）霞为什么是红的？1.瑞利散射（Rayleigh）线度小于光波长的微粒（散射体）对光的散射现象瑞利散射。•光的散射光的吸收、色散和散射波动及近代光学散射光强41I此定律说明，散射光中短波占优势，故白光的散射呈青蓝色，而通过散射物的光呈红色，这就是红光穿过薄雾能力强的原因（信号灯或信号旗用红色）红外线则更强（红外遥感）。注意此定律只适用于尺度的小颗粒散射。2.瑞利定律（1871年）•光的散射光的吸收、色散和散射波动及近代光学光的吸收、色散和散射波动及近代光学假定白光中波长为的红光与的蓝光具有同样的强度，问在散射光中两者的比例是多少？例nm600nm450解：32.0)65.4()(114444RBBRBRII白光散射可看到青蓝色光的吸收、色散和散射波动及近代光学1908和1909年，米(Mie)和德拜(Debye)以球形质点(半径)为模型作了计算，只有时，瑞利定律才成立，当较大时，散射强度几乎与波长无关（米氏散射）。3.02aaa2•光的散射光的吸收、色散和散射波动及近代光学四大气散射自然现象的解释（若无大气，白昼天空是光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中宇航员是司空见惯了的）1.白昼天空是亮的大气散射阳光的结果。2.天空呈蓝色，旭日和夕阳呈红色。3.为什么点燃的香烟冒出的烟是淡蓝的，而吸烟者口中吐出的烟却呈白色？•光的散射光的吸收、色散和散射波动及近代光学3.白云云由水滴组成，其，瑞利定律不适用，其产生的散射与波长关系不大（米氏散射），故云雾呈白色。R蓝色人朝晚•光的散射光的吸收、色散和散射波动及近代光学大气散射一部分来自悬浮的尘埃，另一部分来自密度涨落引起的分子散射，后者尺度比前者小得多，故瑞利定律的作用