第4章光的吸收、散射和色散2N

1、- 光的吸收和散射光的吸收和散射一、光的吸收一、光的吸收光波通过介质时，有一部分光能被吸收，转化光波通过介质时，有一部分光能被吸收，转化为其他形式的能量。为其他形式的能量。透明物质：能量损失小。透明物质：能量损失小。一般吸收：吸收很小，且在某一给定波段内几一般吸收：吸收很小，且在某一给定波段内几乎是不变的。乎是不变的。选择吸收：吸收很多，且随波长而剧烈地变化。选择吸收：吸收很多，且随波长而剧烈地变化。例如石英对可见光吸收甚微，但是对例如石英对可见光吸收甚微，但是对3.55.0 m的红外光却强烈吸收。的红外光却强烈吸收。1朗伯定律朗伯定律d id xi dxii-dii0ilx吸收系数吸收系数

2、与波长和介质本身与波长和介质本身性质有关，与入射光强无关。性质有关，与入射光强无关。1()d iid x 物理意义：单位长度上的光强吸收率，物理意义：单位长度上的光强吸收率，“”号表示号表示随吸收层厚度增加光能量减少。随吸收层厚度增加光能量减少。微分式：微分式：积分式：积分式：00()ilid id xi ( )0lii e 2比尔定律比尔定律实验表明：在稀溶液中实验表明：在稀溶液中( )ac0a c lii e二、光的散射二、光的散射光波在透明介质中传播时，有部分光波偏离原来光波在透明介质中传播时，有部分光波偏离原来的传播方向而向四面八方传播的现象叫光的散射。的传播方向而向四面八方传播的现象

3、叫光的散射。.衍射与散射的区别：衍射与散射的区别：衍射是由于个别的不均匀区域（如孔、缝或障碍物等）衍射是由于个别的不均匀区域（如孔、缝或障碍物等）所形成的，这些不均匀区域范围的大小一般可与波长相比拟。所形成的，这些不均匀区域范围的大小一般可与波长相比拟。散射则是由于大量排列不规则的非均匀的小散射则是由于大量排列不规则的非均匀的小“区域区域”的的集合形成的，这些非均匀小区域的线度一般比波长小。集合形成的，这些非均匀小区域的线度一般比波长小。.光散射的原因光散射的原因3瑞利散射 实验 白光通过浑浊物质时，沿z 方向，散射光呈青蓝色，沿x方向，散射光呈红色。 瑞利公式 紫光的散射强度大约是红光的10

4、倍。 散射光强度 4( )if 4散射光的强度 设i0为沿入射自然光 x 方向的散射光强度，则从co方向观察到散射光强度为 20(1cos)ii散射光强度在oxz平面内按方向分布曲线图。 5.光的散射分类光的散射分类一类：散射光的波长不发生变化，如瑞利散射，米氏散射；一类：散射光的波长不发生变化，如瑞利散射，米氏散射；另一类：散射光波长发生了变化，如拉曼散射，布里渊散射，另一类：散射光波长发生了变化，如拉曼散射，布里渊散射，康普顿散射。康普顿散射。非纯净介质中的光散射非纯净介质中的光散射如空气中的尘埃、烟雾、小水滴，还有乳浊液、胶体等。如空气中的尘埃、烟雾、小水滴，还有乳浊液、胶体等。1）小颗

5、粒散射（颗粒线度）小颗粒散射（颗粒线度a0.3 /2 ) 散射规律：散射规律：a） 不变；不变；b）i4（是瑞利散射）（是瑞利散射）c）散射光强分布满足：）散射光强分布满足：2/2(1 cos)ii2）大颗粒散射（）大颗粒散射（a)米氏散射：光强与米氏散射：光强与 关系不明显。关系不明显。例如白云为什么呈白色；吸烟时烟头冒出的烟例如白云为什么呈白色；吸烟时烟头冒出的烟呈蓝色，而嘴里冒出的烟却呈白色。呈蓝色，而嘴里冒出的烟却呈白色。散射光是部分偏振光，偏振度与颗粒大小、形状都有关。散射光是部分偏振光，偏振度与颗粒大小、形状都有关。纯净介质中的纯净介质中的分子散射分子散射由于纯净介质中分子的无规则

6、热运动，使得分子由于纯净介质中分子的无规则热运动，使得分子密度出现涨落发生的散射叫分子散射。密度出现涨落发生的散射叫分子散射。 解释现象：解释现象：晴朗的天空是蓝的；晴朗的天空是蓝的；白昼的天空是亮的；白昼的天空是亮的；日出或日落看到的太阳呈红色，而正午时呈白色。日出或日落看到的太阳呈红色，而正午时呈白色。地球大气层正午晨曦傍晚三、光的色散三、光的色散光的色散：物质的折射率随波长改变的现象光的色散：物质的折射率随波长改变的现象称为光的色散，也称折射色散。称为光的色散，也称折射色散。广义色散：某一物理量是波长（或频率）的广义色散：某一物理量是波长（或频率）的函数。函数。色散率：色散率：dndd1

7、 正常色散（正常色散（ dn/d 0）柯西公式：柯西公式：24bcna一般小波段范围内，取前两项：一般小波段范围内，取前两项：2bna两边微分：两边微分：32d nbd 正常色散特点：正常色散特点：（1）波长愈短，折射率愈大；）波长愈短，折射率愈大；（2）波长愈短，）波长愈短，dn/d 愈大（斜率大）；愈大（斜率大）；（3）在波长一定时，不同物质的折射率愈大，）在波长一定时，不同物质的折射率愈大， dn/d 也愈大；也愈大；（4）不同物质的色散曲线没有简单的相似关系。）不同物质的色散曲线没有简单的相似关系。2 反常色散（反常色散（ dn/d 0）吸收带：光被强烈吸收的波段。吸收带：光被强烈吸收

8、的波段。任何一种物质都有多个吸收带，故有多个正常色散和反常任何一种物质都有多个吸收带，故有多个正常色散和反常色散区域。色散区域。3 相速度与群速度相速度与群速度 1）相速度）相速度单色平面波单色平面波cos()e at kz令相位令相位( t-kz)=恒量恒量两边微分两边微分0dtkdz波速：波速：pdzvdtk代表恒定相位向前移动的速度，所以又称代表恒定相位向前移动的速度，所以又称相速相速。2）群速）群速实际光波可视为由多个不同频率单色波叠加而实际光波可视为由多个不同频率单色波叠加而成，各单色波以不同的相速成，各单色波以不同的相速v= /k传播。传播。考虑最简单情况：两列振辐相等，振动方向相

9、考虑最简单情况：两列振辐相等，振动方向相同，频率和波长相差很小，均沿同，频率和波长相差很小，均沿z方向传播的单色方向传播的单色平面波叠加而成的波群。平面波叠加而成的波群。111222cos()cos()eat kzeat k z令令1212,ddkk dk kk dk 合成波合成波121122cos()cos()2 cos()cos()eeeak zak zadtdk ztkz 即合成波为频率为即合成波为频率为 ，振幅随，振幅随t缓慢变化的余弦波。缓慢变化的余弦波。波形图上形成波包。波形图上形成波包。波包向前传播的速度即等振波包向前传播的速度即等振幅面向前推进的速度称为幅面向前推进的速度称为群速群速。同理，令同理，令dtdk z 常量两边微分：两边微分：ddtdk dz0群速：群速：gdzvdtddk振幅振幅*2 cos()aadtdk z 3）相速、群速关系）相速、群速关系()p