第八章光的吸收、色散和散射PPT课件

1、第八章第八章光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射Chap.8Absorption、Dispersion andScatteringofLight 主讲人：李玲主讲人：李玲 教授教授光通过物质时其传播情况就会发生变化：光通过物质时其传播情况就会发生变化：(1)(1)光束越深入物质，强度将越减弱光束越深入物质，强度将越减弱光的能量被物质吸收光的能量被物质吸收光的吸收光的吸收光向各个方向散射光向各个方向散射光的散射光的散射(2)(2)光在物质中传播的速度将小于真空中的速度光在物质中传播的速度将小于真空中的速度且随波长而变化且随波长而变化光的色散光的色散。 光通过物质时，光波中振动着的电矢量，将光

2、通过物质时，光波中振动着的电矢量，将使物质中的带电粒子作受迫振动，光的部分能使物质中的带电粒子作受迫振动，光的部分能量将用来提供这种受迫振动所需要的能量。量将用来提供这种受迫振动所需要的能量。从从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小，这而使光的强度随着穿进物质的深度而减小，这种现象称为光的吸收（种现象称为光的吸收（absorptionabsorption）电偶极子电偶极子(electric dipole) (electric dipole) ：一对：一对靠得很近的等量异号的点电荷组靠得很近的等量异号的点电荷组成的系统。成的系统。朗伯定律朗伯定律吸收系数：吸收系数：absorption coef

3、ficientabsorption coefficient 换言之，若入射光强为换言之，若入射光强为I I0 0，则通过，则通过l l的物质后的的物质后的光强为光强为0lII e0lnlnIIl dIdxI 光束穿过厚度为光束穿过厚度为 l 的物质后光强的改变为的物质后光强的改变为对对x x积分，即可得积分，即可得称为朗伯定律。称为朗伯定律。 在浓度较低的溶液中，当光被透明溶在浓度较低的溶液中，当光被透明溶剂中溶解的物质吸收时，吸收系数剂中溶解的物质吸收时，吸收系数 与与溶液的浓度溶液的浓度C C 成正比，即成正比，即 =AC=AC ，其，其中中A A是一个与浓度无关的量。这时是一个与浓度无关

4、的量。这时 称为称为 比尔定律（比尔定律（Beer lawBeer law）。）。0lACII e比尔定律比尔定律吸收系数随波长的分布情况。具有连续谱的光通吸收系数随波长的分布情况。具有连续谱的光通过吸收物质后形成的光谱，在连续谱背景上出现过吸收物质后形成的光谱，在连续谱背景上出现了一些暗线和暗带。前者称为线状谱，后者称为了一些暗线和暗带。前者称为线状谱，后者称为带状谱。带状谱。吸收光谱：吸收光谱：普遍吸收：吸收系数与波长无关普遍吸收：吸收系数与波长无关选择吸收：吸收系数与波长有关选择吸收：吸收系数与波长有关吸收类型吸收类型特征光谱（选择吸收）：由原子或分子独有的特征光谱（选择吸收）：由原子或

5、分子独有的能级结构生成的特有的吸收谱线能级结构生成的特有的吸收谱线测量染料分子吸收谱实验装置测量染料分子吸收谱实验装置3004005006007008000100200300400500600700intensitywavelength(nm) lightbase sample300400500600700800-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.6intensitywavelength(nm) absorption coefficient光通过介质时，传播速度随频率而变化，即不同光通过介质时，传播速度随频率而变化，即不同波长的光具有不同的折射率值的现象为色散波长的光具

6、有不同的折射率值的现象为色散。ddn2.2.正常色散与反常色散正常色散与反常色散即表征物质的色散特性即表征物质的色散特性牛顿利用交叉棱镜法将色散曲线非常直观地牛顿利用交叉棱镜法将色散曲线非常直观地显示出来显示出来 正常色散曲线正常色散曲线（1 1）正常色散）正常色散牛顿-棱镜描述正常色散时描述正常色散时n n 与与 关系的经验公式为科希方程：关系的经验公式为科希方程：a a、b b、c c为由介质特性决定的常数，由实验得出。为由介质特性决定的常数，由实验得出。当波长间隔不大时，科希方程可取近似形式：当波长间隔不大时，科希方程可取近似形式： 42cban+ban2-=bddn23则正常色散方程正

7、常色散方程色散曲线特点：色散曲线特点：1 1 随波长值变大，折射随波长值变大，折射率值减小。率值减小。2 2 短波色散曲线斜率较短波色散曲线斜率较大，角色散率较大。大，角色散率较大。3 3 波长一定时，介质的波长一定时，介质的折射率越大，则色散曲线折射率越大，则色散曲线的斜率越大。的斜率越大。4 4 不同物质的色散曲线不同物质的色散曲线没有简单的相似关系没有简单的相似关系。在某些波长段会出现波长变大折射率值增大的现在某些波长段会出现波长变大折射率值增大的现象，这称为反常色散。象，这称为反常色散。反常色散同样是物质的普遍性质。反常色散与选反常色散同样是物质的普遍性质。反常色散与选择吸收密切相关，

8、即发生于物质的选择吸收波择吸收密切相关，即发生于物质的选择吸收波段附近。段附近。（2 2） 反常色散反常色散描述反常色散下描述反常色散下 n n 与与 关系的经验公式为关系的经验公式为塞耳迈耳方程：塞耳迈耳方程：202221bn当当 0 0时，时，n n ，这是一个缺陷，这是一个缺陷可可 见见 光光吸吸 收收 带带 n 0波长测定测定 折射率折射率迈克耳孙：速度法（迈克耳孙：速度法（ ）测得：）测得： 傅科：折射率法（傅科：折射率法（ ）测得：）测得： 3 3 群速与相速群速与相速群速问题的引出群速问题的引出2CS12sin/sinnii1.64n /nc v1.758n 两者差异很大，并非实

9、验误差所致。两者差异很大，并非实验误差所致。瑞利找到了原因，提出了光的相速和群速概念。瑞利找到了原因，提出了光的相速和群速概念。相速和群速相速和群速1 1）相速定义：等相面的传播速度）相速定义：等相面的传播速度2 2）相速的公式）相速的公式( , )cos()U x tAtkx由由tkxC ( (常数常数) )pdxvdtkdtkdx，得：，得： 即：即：3 3）两列单色波迭加后的波包的群速）两列单色波迭加后的波包的群速111( , )cos(),U x tAtk x222( , )cos()Ux tAtk x12( , )( , )( , )U x tU x tUx t002 cos()co

10、s()Atkxtk x低频包络低频包络高频波高频波这是一列振幅受到低频调制的高频波列这是一列振幅受到低频调制的高频波列gdxdvdtkdk是是“波包波包”的群速的群速可以得到低频包络的传播速度：可以得到低频包络的传播速度：PPgPPdvdvvvkvdkd4 4）群速公式的其它表示式）群速公式的其它表示式/Ppvc n(1)pgPpdnvvnd00pgpdnnnd相对钠黄光相对钠黄光 速度法：速度法： , , 折射率法：折射率法： 色散率的测量：色散率的测量： 00589.3A1.722gn 1.624pn 00/0.102pdnd 001.6240.1021.726pgpdnnnd实验数据与两

11、者关系公式符合得很好。实验数据与两者关系公式符合得很好。原来：原来： 是相速折射率是相速折射率1.640n 1.758n 是群速折射率是群速折射率对对CSCS2 2两种折射率的解释两种折射率的解释4 4 弹性散射与非弹性散射弹性散射与非弹性散射光散射定义和分类光散射定义和分类1 1）定义：）定义： 光束通过光学性质不均匀的介质时，光束通过光学性质不均匀的介质时，光线向四面八方传播的现象。光线向四面八方传播的现象。2 2）光散射的分类）光散射的分类瑞利散射（弹性）和拉曼散射（非弹性）瑞利散射（弹性）和拉曼散射（非弹性）弹性散射：弹性散射： 瑞利散射瑞利散射（1 1）散射波长与入射波长相同）散射波

12、长与入射波长相同（2 2） 41I（3 3）散射光强按空间）散射光强按空间方位呈哑铃形角分布方位呈哑铃形角分布（对较大颗粒的散射不适用）（对较大颗粒的散射不适用） 自然界的散射现象自然界的散射现象3 3）较长路程的散射使旭日或夕阳呈红色）较长路程的散射使旭日或夕阳呈红色（瑞利定律）（瑞利定律）1 1）地球外围大气层对阳光的散射使）地球外围大气层对阳光的散射使天空明亮（瑞利定律）天空明亮（瑞利定律）2 2）纯净大气层的散射使天空呈蔚蓝色）纯净大气层的散射使天空呈蔚蓝色（瑞利定律）（瑞利定律）4 4）含有较大水滴的云雾的散射光呈白色）含有较大水滴的云雾的散射光呈白色（米德拜定律）（米德拜定律）非弹

13、性散射：非弹性散射： 拉曼散射拉曼散射2 2）装置）装置1 1）散射光中既有原入射光频率，还有在入）散射光中既有原入射光频率，还有在入射光频率两侧对称分布的新频率。射光频率两侧对称分布的新频率。A:A:汞弧灯汞弧灯B:B:水玻璃管水玻璃管C:C:四氯化碳四氯化碳R:R:反射镜反射镜（ ， ）：拉曼谱线）：拉曼谱线拉曼散射特征拉曼散射特征（1 1） ：瑞利谱线：瑞利谱线0j1,2,j 0j：红伴线或斯托克斯线；：红伴线或斯托克斯线； ：紫伴线或反斯托克斯线。：紫伴线或反斯托克斯线。 0j0j00j0j100008000600040002000050010001500200025003000350

14、0Nylon6 尼龙Kevlar 合成纤维Pstyrene 聚苯乙烯PETPaper 纸纤维Ppropylene丙烯PE/EVA聚乙烯cm-1拉曼光谱中的信息拉曼光谱中的信息 （1 1）定性的信息定性的信息: : 拉曼光谱是物质结构的拉曼光谱是物质结构的指纹光谱指纹光谱纤维中常用的材料的拉曼光谱纤维中常用的材料的拉曼光谱 1332 1580 20000150001000050000100012001400160018002000Wavenumber (cm-1)n同素异形体同素异形体 石墨 & 金刚石同素异形体同素异形体400003000020000100000500100015002

15、000250030003500Hydrated dextroseAnhydrous dextroseFructosen 多晶型多晶型: :果糖（左旋糖）， 无水葡萄糖 （右旋糖）， 含水葡萄糖拉曼光谱中的信息拉曼光谱中的信息 谱带位置：化学组成，结构，构象，形态谱带位置：化学组成，结构，构象，形态频率位移：应力，分子环境频率位移：应力，分子环境半高宽：结晶度半高宽：结晶度强度：浓度或物质的量强度：浓度或物质的量（2 2）定量的信息）定量的信息: : 可以通过光谱校正可以通过光谱校正, ,得到准确的得到准确的应力大小应力大小和和浓度分布浓度分布 峰位峰位谱峰偏移谱峰偏移强度强度半高宽半高宽FWHMFWHMRaman shift样品被逐点记录，每个点会在检测器上成像样品被逐点记录，每个点会在检测器上成像 好好的空间分辨率可以实现更精细的成像的空间分辨率可以实现更精细的成像逐点成像逐点成像 : : 样品在样品在XYXY方向上移动方向上移动拉曼成像方法拉曼成像方法 XYXY自动平台上的样品自动平台上的样品光谱仪光谱仪光谱成像光谱成像a. a.LaserLaserSampleSample-5 000-4 000-3 000-2 000-1 00001 0002 0003 0004 0005 0006 000Y