第三章-光的偏振和光与物质的相互作用

1、妻子："我嫁给魔鬼也比嫁给你强。"丈夫："这不可能，因为近亲禁止结婚。" 第三章 光的偏振和光与物质的相互作用光的电磁理论光是一种电磁波， 是电磁场中电场强度E和磁场强度H的周期性变化在空间的传播，或者说，E矢量和H矢量的振动在空间的传播。一般而言，电磁波是横波，E矢量和H矢量都与传播方向垂直。实验：干涉和衍射 光的波动性光的偏振 光的横波性实验表明，产生感光作用和生理作用的是光波中的横向振动着的电矢量E:E矢量：光矢量E振动：光振动本章研究：光的偏振和光与物质的相互作用过程。§3 - 1 自然光和偏振光一 光的偏振态纵波：通过波的传播方向所作

2、的平面内的运动情况都是相同的，波的振动对传播方向具有对称性。横波：把通过波的传播方向并包含振动矢量在内的平面称为振动面，波的振动方向对传播方向不具有对称性。偏振：振动方向对传播方向的不对称性。这是横波区别于纵波的一个最明显的标志。平面偏振光：光矢量的振动只限在包含传播方向的某一个确定的平面内，则这种偏振态称为平面偏振（线偏振），该平面称为偏振面。（图3 - 1 ( c )）椭圆（圆）偏振光：当两振动面互相垂直并有固定位相关系的线偏振光叠加之后的光矢量，以圆频率作旋转运动，矢量端点描出一椭圆（图3 - 1 ( d )）。右旋椭圆偏振光：光矢量顺时针旋转（迎着光线看）左旋椭圆偏振光：光矢量反时针旋

3、转（迎着光线看）自然光：无限多个振幅相等、振动方向任意、彼此之间没有固定相位关系的光振动的组合。普通光源的发光来自大量原子的随机光辐射，每一波列的振幅、相位和振动方向都不能显示出在哪一个值和在哪一个方向上更占优势。普通光源所发出的光对于其传播方向轴对称分布，其光矢量在与光的传播方向垂直的平面(纸面)上的分布如图3- 1 ( a )所示。部分偏振光：光波包括了一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不同。在某一方向上的振幅最大，与之正交的方向上振幅最小。图3- 1 ( b ) ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) 图3- 1 自然光和偏振光的光矢量分布二 二 偏振光的产生1

4、、 射和折射时的偏振现象自然光在任意两种各向同性介质的分界面上发生反射和折射时，反射光和折射光皆部分偏振光2二向色性 图3 - 2 二向色性有些晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质。天然的电气石晶体呈六角形的片状，长对角线的方向称为它的光轴。当光线照射在这种晶体的表面上时，振动的电矢量与光轴平行时被吸收得较少，光可以较多地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少，如左图。3晶体双折射现象 图 3- 3 o光和e光一束光在各向异性的晶体内分成了两束，它们的折射程度不同，这种现象通常称为双折射。如图3 - 3所示，如果让一束平行的自然光正入射到一块方解石晶体的一个表面上，我们将发现

5、该束光在通过方解石后被分解成了两束。寻常光(o光)：晶体内符合普通折射定律的折射光线。非常光(e光)：晶体内违背普通折射定律的折射光线 折射定律可以普遍地表述为：“折射波法线、入射波法线以及界面法线三者共面；波法线与界面法线间夹角的正弦和折射率的乘积在界面两侧相等。” 那么，对e光来说，这个普遍的折射定律仍然是适用的。我们知道，波法线与波面垂直，代表波的相位传播方向；而波线或光线所代表的却是波扰动的传播方向或能量流动的方向。对于晶体中的e光来说，光线与波法线一般来说并不重合(参见图17-13惠更斯作图法)。e光的光线不满足普通的折射定律，而波法线却满足普遍的折射定律。利用检偏器可以看出，从双折

6、射晶体射出的这两束光都是线偏振光，它们的振动方向相互垂直。§3 - 2 光的吸收光与物质的相互作用（光与原子中电子的相互作用）光的吸收、散射和色散现象一 吸收定律图3 - 4 光的吸收规律光的吸收:通过物质时，光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象。在相当宽的光强范围内，有, (3. 1)aa： 该物质的吸收系数。若入射光强为I0，则通过厚度为d的物质后的光强为,(3. 2)布格定律表明，厚度等于1/aa的一薄层物质，可使光强减小到原来的1/e » 36 %. 对可见光，大气压强下的 aa 10-5 cm-1 （空气）aa 10-2 cm-1； （玻璃）aa 104 - 1

7、05 cm-1 （金属）在显微镜下观察岩矿标本时，常把样品磨成很薄的薄片。激光的出现，使人们能够掌握的光强比原来大了十几个数量级，光和物质的非线性相互作用过程显示了出来，这时吸收系数aa与折射率n等都依赖于光强，布格定律不再成立。二 一般吸收和选择吸收 吸收光谱物质对电磁波的吸收具有选择性。任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线和紫外线却都有强烈的吸收，是不透明的。地球表面上的大气，尽管它对可见光和波长在300 nm以上的紫外线是透明的，但对红外线只在某些狭窄的波段内是透明的，它们称为大气窗口，在1 -

8、 15 mm之间有7个大气窗口。此外，大气中的臭氧会强烈地吸收波长短于300 nm的紫外线。两种类型： 一般吸收：物质对给定波段内各种波长光的吸收程度几乎相同，可见光束通过物质后只改变光强，而不改变颜色。选择吸收：物质对某些波长的光的吸收特别强。选择吸收的物质会使通过它的白光变为彩色光。绝大部分物体之所以呈现颜色，都是其表面或体内对可见光进行选择吸收的结果。钠黄光照射下的红花绿叶之所以均呈黑色，是因为它们对黄光有强烈的吸收。吸收光谱：具有连续谱的光通过待研究的具有选择吸收的物质，可以观测到在连续光谱的背景上呈现有一条条暗线或暗带，这就是吸收光谱，说明某些波长或波段的光被吸收了。同一物质的发射谱

9、和吸收光谱之间有严格的对应关系，即物质自身发射哪些波长的光，它就强烈吸收这些波长的光。线状谱、带状谱和连续谱( 物质的发射谱和吸收光谱): 原子气体的光谱是线状谱，分子气体、液体和固体的光谱是带状谱。原子吸收光谱的应用：如何探测太阳的元素构成？太阳光谱是典型的暗线吸收光谱，在其连续光谱的背景上呈现有一条条的暗线，称为夫琅禾费谱线。这些谱线是处于较低温度的太阳大气中的原子，对更加炽热的内核发射的连续光谱进行选择吸收的结果。将这些吸收谱线的波长，与地球上已知物质的原子发射光谱进行比较，发现太阳表面层中主要包含有氢、氦，还有钠、氧、铁和钙等60多种元素。氦元素首先就是在太阳光谱中发现的，其英文名称h

10、elium，源于希腊文helios，是太阳的意思。原子吸收光谱的灵敏度很高，混合物或化合物中原子含量极少的变化，都会在光谱中反映出吸收系数很大的改变。历史上，曾靠这种方法发现了铯、铷、铊、铟和镓等多种元素。原子吸收光谱在化学的定量分析中有广泛的应用。带状吸收光谱用来定性鉴定或定量测定有机化合物，研究分子力和分子结构。分子气体、液体和固体一般在红外波段有选择吸收，吸收谱线密集地组成带状，形成带状吸收光谱。不同的分子有其显著不同的红外吸收光谱，即使是分子量相同且其他物理化学性质也基本相同的同质异构体，它们的红外吸收光谱也明显不同。§3 - 3 光的散射光的散射：当光束通过不均匀的介质时，

11、会散开。这是光在传播时因与物质中的分子作用而改变其光强的空间分布、偏振状态或频率的过程。在光的散射过程中，光与分子的作用几乎是瞬时的。一 瑞利散射研究线度比光的波长小的微粒的散射问题：散射光的频率 入射光的频率散射光强 , (3. 3)称为瑞利散射定律。若散射微粒的尺度比光的波长小，作用在散射微粒上的电场可视为交变的均匀场，于是散射微粒在极化时只感生电偶极矩。按照经典的电磁理论，偶极振子的辐射功率正比于频率的四次方。由于热运动破坏了散射微粒之间的位置关联，各偶极振子辐射的子波不再是相干的，计算散射光强时应将子波的强度而不是振幅叠加起来。因此，散射光强正比于频率的四次方，即反比于波长的四次方。利

12、用瑞利散射定律解释：白昼天空之亮: 大气散射把阳光从各个方向射向观察者，否则，只看到在漆黑的背景中有一轮光辉夺目的太阳。Blue sky: 按照瑞利散射定律，白光中波长较短的蓝、紫色光所受到的散射，要比波长较长的红、黄色光强烈得多。散射光将因短波的富集呈蔚蓝色。雨后天更蓝：大气散射（主要）密度涨落引起的分子散射+（其次）悬浮尘埃的散射，前者的尺度比后者小得多，瑞利l4反比律的作用更加明显。所以，每当雨过天晴的时候，天空总是蓝得格外美丽。，而透射光将呈红色。这就是天空呈蔚蓝色，旭日和夕阳呈红色的原因。大气的散射主要是密度涨落引起的分子散射，其次才是悬浮尘埃的散射，前者的尺度比后者小得多，瑞利l4

13、反比律的作用更加明显。所以，每当雨过天晴的时候，天空总是蓝得格外美丽。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，经历大气层的厚度要比中午大得多，从而大气的散射效应也要强烈得多，这就是旭日初升时颜色显得特别殷红的原因。二 拉曼散射1在光的散射过程中，如果分子的状态也发生改变，则入射光与分子交换能量的结果可以导致散射光的频率发生改变。在散射光谱中除了与入射光原有角频率w0相同的瑞利散射线外，谱线两侧还有角频率为, 等的散射线。拉曼散射的强度极小，约为瑞利散射的千分之一。2，实验规律：1 ) 在每条角频率为w0的入射光谱线的两旁，都伴有角频率为的散射谱线。在长波一侧的角频率为的谱线，称为红伴线或斯托克斯线；在短波一侧的角频率为的谱线，称为紫伴线或反斯托克斯线。2 ) 角频率差的数值与入射光角频率w0无关。3 ) 每种散射物质都有各自的一套角频率差，其中有些与物质的红外吸收角频率相等，表征散射物质的分子振动频率。3应用： “光学”最低限