第六章光的吸收、散射和色散ppt课件

1、第六章光的吸收、散射和色散Adsorption Scattering and Dispersion of Light 光束越深化物质，强度将越减弱；光束越深化物质，强度将越减弱； 光经过物质时其传播情况就会发生变化：光经过物质时其传播情况就会发生变化：光在物质中传播的速度将小于真空中的速光在物质中传播的速度将小于真空中的速度且随频率而变化度且随频率而变化光的色散。光的色散。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。6.1 电偶极辐射对反射、折射景象的解释动动22242202sin321CRAeEcISo2 2、电偶极辐射对反射和

2、折射景象的初步解释、电偶极辐射对反射和折射景象的初步解释6.2 光的吸收Absorption of Light 1普通吸收和选择吸收normal absorption & selective absorption 吸收很少，且在某一给定波段内几乎不变。 吸收很多，且随波长而猛烈地变化。 例如石英对可见光吸收甚微，但是对3.55.0 m的红外光却剧烈吸收。 普通吸收 选择吸收 6.1 光的吸收光的吸收6.2 光的吸收Absorption of Light 2朗伯定律 能量观念xIIdd xIIadd稀溶液： ACa，式中A是一个与浓度无关d的常量，C为溶液的浓度。 IIdaxII00dd

3、a， 为吸收系数 daIIe06.2 光的散射光的散射 Scattering of Light光线经过均匀的透明介质光线经过均匀的透明介质(如玻璃、空气、清水如玻璃、空气、清水时，从侧面是难以看到光线的。假设介质不均匀，时，从侧面是难以看到光线的。假设介质不均匀，如有悬浮微粒的浑浊液体，我们便可从侧面明晰如有悬浮微粒的浑浊液体，我们便可从侧面明晰地看到光束的轨迹，这是介质中的不均匀性使光地看到光束的轨迹，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果。线朝四面八方散射的结果。 定义：由于介质中存在的微小粒子或分子对光的定义：由于介质中存在的微小粒子或分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向或波

4、长发生变作用，使光束偏离原来的传播方向或波长发生变化，向周围传播的景象，称为光的散射。化，向周围传播的景象，称为光的散射。光的散射可分为两大类：光的散射可分为两大类：散射光的波长不变散射光的波长不变散射光的波长改动散射光的波长改动瑞利散射瑞利散射米氏散射米氏散射拉曼散射拉曼散射Raman1928布里渊散射布里渊散射Brillouin1921瑞利散射：散射粒子的线度小于光的波长的非常之瑞利散射：散射粒子的线度小于光的波长的非常之一，那么称为。一，那么称为。米氏散射：散射粒子的线度与光波长同量级或大于米氏散射：散射粒子的线度与光波长同量级或大于光波波长的散射，称为。光波波长的散射，称为。二二. 瑞

5、利散射定律瑞利散射定律光学性质不均匀的介质，能够是由于均匀物质中分布着光学性质不均匀的介质，能够是由于均匀物质中分布着折射率与它不同的其它物质的大量微粒，也能够是由于折射率与它不同的其它物质的大量微粒，也能够是由于物质本身的组成部分粒子的不规那么聚集；物质本身的组成部分粒子的不规那么聚集；早在早在1869年爱尔兰物理学家亭德尔年爱尔兰物理学家亭德尔(Tyndall， 1820-1893) 就对混浊介质的散射景象做过就对混浊介质的散射景象做过大量的实验研讨。尤其对于线度小于波长大量的实验研讨。尤其对于线度小于波长的微粒。因此瑞利散射有时又称亭德尔效的微粒。因此瑞利散射有时又称亭德尔效应。应。例如

6、尘埃、烟大气中分布着固态微粒例如尘埃、烟大气中分布着固态微粒,雾空气中分布着雾空气中分布着液态微粒，悬浮液液体中悬浮着固态微粒，乳状液液态微粒，悬浮液液体中悬浮着固态微粒，乳状液一种液体中悬浮着另一种液体而不能相互溶解，如水中一种液体中悬浮着另一种液体而不能相互溶解，如水中参与几滴牛奶，等等。这样的物质称为混浊介质。参与几滴牛奶，等等。这样的物质称为混浊介质。在亭德尔的根底上，英国物理学家瑞利于在亭德尔的根底上，英国物理学家瑞利于1899年对小年对小粒子散射又进展了研讨。实验安装如图。粒子散射又进展了研讨。实验安装如图。透透射射光光散射光散射光检偏器检偏器探测器探测器实验发现：从容器侧实验发现

7、：从容器侧面看到的散射光，带面看到的散射光，带有青蓝色，透射光那有青蓝色，透射光那么带有红色。么带有红色。瑞利瑞利Lord Rayleigh ,1842 -1919Lord Rayleigh ,1842 -1919 19041904年诺贝尔物理学奖获得者年诺贝尔物理学奖获得者进一步研讨阐明，散射光的强度与光波波长的四次方进一步研讨阐明，散射光的强度与光波波长的四次方成反比，可表示为：成反比，可表示为：4)(1I称为瑞利散射定律称为瑞利散射定律根据瑞利散射定律，可以对前面的实验景象作出很好根据瑞利散射定律，可以对前面的实验景象作出很好的解释。的解释。假设白光中波长为假设白光中波长为720nm的红

8、光与波的红光与波长为长为440nm的青蓝光具有一样的强度，的青蓝光具有一样的强度，由于两种波长之比为：由于两种波长之比为：64. 1蓝红所以散射光中，蓝光的强度与红光强度之比为：所以散射光中，蓝光的强度与红光强度之比为：2 . 74）（蓝红红蓝II可见散射光中蓝光的强度约为红光强可见散射光中蓝光的强度约为红光强度的度的7.2倍，因此透射光中所含的红光倍，因此透射光中所含的红光成分就较多，故带红色。成分就较多，故带红色。外表上看起来是纯真均匀的介质，由于分子的热运动外表上看起来是纯真均匀的介质，由于分子的热运动使分子密度有涨落而引起的散射，称为分子散射。分使分子密度有涨落而引起的散射，称为分子散

9、射。分子散射也满足瑞利散射定律。子散射也满足瑞利散射定律。用以上的散射实际可以解释许多我们日常熟习的自用以上的散射实际可以解释许多我们日常熟习的自然景象，如天空为什么是蓝的？旭日和夕阳为什么然景象，如天空为什么是蓝的？旭日和夕阳为什么是红？以及云为什么是白？等等。是红？以及云为什么是白？等等。首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光的结果。假设没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，的结果。假设没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象是宇航员司空见惯了的。是宇

10、航员司空见惯了的。 按瑞利定律，由于大气的散射，白光中的短波成分按瑞利定律，由于大气的散射，白光中的短波成分蓝紫色遭到散射比长波成分红黄色剧烈得多，散蓝紫色遭到散射比长波成分红黄色剧烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚蓝色。所以每当大雨初霁、廓射光乃因短波的富集而呈蔚蓝色。所以每当大雨初霁、廓清了尘埃的时候，天空总是蓝得格外美丽得意，其道理就清了尘埃的时候，天空总是蓝得格外美丽得意，其道理就在这里在这里. 旭日和夕阳呈红色，与天空呈蓝旭日和夕阳呈红色，与天空呈蓝色属于同一类景象，由于白光中色属于同一类景象，由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余较多的自

11、然是直射的日光中剩余较多的自然是长波成分了。长波成分了。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，阅历大气层的厚度要比中午时大得阅历大气层的厚度要比中午时大得多，从而大气的散射效应也要剧烈多，从而大气的散射效应也要剧烈得多，这便是旭日初升时颜色显得得多，这便是旭日初升时颜色显得特别殷红的缘由。特别殷红的缘由。 由于红光透过散射物的穿透才干比蓝光强，因此通常情况由于红光透过散射物的穿透才干比蓝光强，因此通常情况下，危险信号灯、交通禁行灯等采用红色，使有关人员在下，危险信号灯、交通禁行灯等采用红色，使有关人员在能见度低的情况下，能尽早发现采取措施。能见度低的情况下，能尽早发现

12、采取措施。当散射粒子的线度大于非常之几波长，甚至与波长相当散射粒子的线度大于非常之几波长，甚至与波长相当时瑞利散射定律不再成立，此为大粒子散射，称为当时瑞利散射定律不再成立，此为大粒子散射，称为米氏散射。米氏散射。米米G.Mie)和德拜和德拜(P. Debye)以球形质点为模型计算以球形质点为模型计算了电磁波的散射。了电磁波的散射。米德拜的计算阐明，只需球半径满足以下条件时，米德拜的计算阐明，只需球半径满足以下条件时，瑞利散射定律才是正确的。瑞利散射定律才是正确的。23 . 0a当当a较大时，散射强度与波长的依赖关系就不明显较大时，散射强度与波长的依赖关系就不明显了，米德拜的计算结果如图。了，

13、米德拜的计算结果如图。当入射光的波长大于非常之一时，散射光的强度与波当入射光的波长大于非常之一时，散射光的强度与波长的依赖关系不明显。因此散射光的颜色与入射光相长的依赖关系不明显。因此散射光的颜色与入射光相近，白光入射将察看到白色的散射光。近，白光入射将察看到白色的散射光。这就是云雾呈白色的缘故。这就是云雾呈白色的缘故。 例如，点燃的香烟冒出蓝色的烟，但从口中吐出的烟却例如，点燃的香烟冒出蓝色的烟，但从口中吐出的烟却是白色的。是白色的。Why？这是由于组成烟的微小颗粒蓝光散射剧烈这是由于组成烟的微小颗粒蓝光散射剧烈瑞利散射；瑞利散射；而从口中吐出的烟，由于凝聚了水蒸气在其上，颗粒变而从口中吐出

14、的烟，由于凝聚了水蒸气在其上，颗粒变大大属于米氏散射，故呈现白色。属于米氏散射，故呈现白色。当光经过介质时，不仅介质的吸收使透射光强减弱，由于当光经过介质时，不仅介质的吸收使透射光强减弱，由于光的散射也使使射入介质的光强按指数方式衰减，因此，光的散射也使使射入介质的光强按指数方式衰减，因此，穿过厚度为穿过厚度为l 的介质透射光强为：的介质透射光强为：)(0eII 为吸收系数，为吸收系数， 为散射系数，为散射系数， + 就称为衰减系数。在就称为衰减系数。在很多情况下，很多情况下， 和和 中一个往往比另一个小很多，因此可中一个往往比另一个小很多，因此可以忽略。以忽略。三三. 散射光强的角分布和偏振

15、态散射光强的角分布和偏振态实验阐明，散射光的强度随光的方向而变化，自然实验阐明，散射光的强度随光的方向而变化，自然光入射时，散射光强满足下式：光入射时，散射光强满足下式：)cos1 (20 II 是散射光方向与入射光方向之间的夹角。是散射光方向与入射光方向之间的夹角。入射光方向入射光方向散射光方向散射光方向可见，散射光可见，散射光强的分布是对强的分布是对于光的传播方于光的传播方向及垂直于光向及垂直于光的传播方向是的传播方向是对称的。对称的。xy假设入射光是线偏振的，传播方向沿着假设入射光是线偏振的，传播方向沿着Z轴，如图。设轴，如图。设在各向同性的介质中有一粒子在各向同性的介质中有一粒子P。当

16、光与粒子相遇时，使当光与粒子相遇时，使P作作受迫振动，所构成的电矢量受迫振动，所构成的电矢量也平行于也平行于X轴。由此产生的轴。由此产生的次波为球面波。光波又是横次波为球面波。光波又是横波，振动方向与传播方向垂波，振动方向与传播方向垂直。在各个方向的振幅应等直。在各个方向的振幅应等于最大振幅在相应方向的投于最大振幅在相应方向的投影。影。虽然从光源发出的光是自然光，但从正侧方用检偏器检虽然从光源发出的光是自然光，但从正侧方用检偏器检查发现，散射光是线偏振的，沿着斜侧面察看发现是部查发现，散射光是线偏振的，沿着斜侧面察看发现是部分偏振光，只需正对着入射方向察看时，透射光才是自分偏振光，只需正对着入

17、射方向察看时，透射光才是自然光。然光。xyA ABBDD因此，在赤道平面因此，在赤道平面ABAB上的个电的振上的个电的振幅最大，在两极幅最大，在两极D和和D处，振幅等于零。处，振幅等于零。不在赤道平面的任一点不在赤道平面的任一点F越越接近赤道平面振幅越大。接近赤道平面振幅越大。F假设入射光的矢量假设入射光的矢量E改为平行于改为平行于Y轴线偏振光，那么散轴线偏振光，那么散射光的振幅情况将上图转射光的振幅情况将上图转90即可得到。即可得到。自然光的电矢量在自然光的电矢量在xoy平面内沿着一切能够的方向振动，平面内沿着一切能够的方向振动，可平均分成沿着可平均分成沿着x和和y方向振动的两个线偏振光。被

18、粒方向振动的两个线偏振光。被粒子散射时，各个方向上的振幅可看成是以上两个分振子散射时，各个方向上的振幅可看成是以上两个分振动的合成。如图动的合成。如图图中可以看出，沿着图中可以看出，沿着PA、PA、PD、PD、PF等正等正侧面察看时，散射光都是侧面察看时，散射光都是线偏振光。振动面垂直于线偏振光。振动面垂直于入射光的传播方向。入射光的传播方向。PxyA ABBDDzF沿着光的传播方向仍为沿着光的传播方向仍为自然光；从其他方向察自然光；从其他方向察看时，散射光是部分偏看时，散射光是部分偏振光。振光。以上讨论的散射介质，假设它的分子本身是各向同性以上讨论的散射介质，假设它的分子本身是各向同性的。假

19、设介质分子本身就是各向异性的，情况就要复的。假设介质分子本身就是各向异性的，情况就要复杂的多。杂的多。例如当线偏振光照射某些气体或液体时，从侧面察看例如当线偏振光照射某些气体或液体时，从侧面察看时，散射光变成了部分偏振光有些情况透射光也变时，散射光变成了部分偏振光有些情况透射光也变成了部分偏振光。这种景象称为退偏振。成了部分偏振光。这种景象称为退偏振。以以Ix和和Iy分别表示散射光沿着分别表示散射光沿着x轴和轴和y轴振动的强度，轴振动的强度，那么散射部分偏振光的偏振度为：那么散射部分偏振光的偏振度为：xyxyIIIIP通常又引入退偏振度的概念：通常又引入退偏振度的概念：P1例如：例如：;%7:

20、;%14:;%4:;%1:2222COgasCSNH退偏振这一景象的解释也是瑞利提出的。他以为退退偏振这一景象的解释也是瑞利提出的。他以为退偏振度与散射分子的光学性质各向异性有关。在这偏振度与散射分子的光学性质各向异性有关。在这种分子里电极化的方向普通不与光波的电矢量方向种分子里电极化的方向普通不与光波的电矢量方向一样。丈量退偏振度可以判别分子的各向异性，因一样。丈量退偏振度可以判别分子的各向异性，因此也可以用来判别分子的构造。此也可以用来判别分子的构造。6.3 光的色散光的色散 Dispersion of Light光在介质中的传播速度光在介质中的传播速度v 随波长而异的景象，亦即介质随波长

21、而异的景象，亦即介质的折射率随着波长而变化，这种景象称为光的色散。的折射率随着波长而变化，这种景象称为光的色散。1672年牛顿首先利用三棱镜的色散效应把日光分解为年牛顿首先利用三棱镜的色散效应把日光分解为彩色光带。彩色光带。为了表征介质折射率随波长的变化快慢程度和趋势，引为了表征介质折射率随波长的变化快慢程度和趋势，引入介质色散率的概念。入介质色散率的概念。 定义为：介质的折射率对波长的导数，即介质的色散率定义为：介质的折射率对波长的导数，即介质的色散率为：为：dn/d一一. 正常色散正常色散丈量不同波长的光线经过棱镜的偏转角，就可算出棱丈量不同波长的光线经过棱镜的偏转角，就可算出棱镜资料的折

22、射率镜资料的折射率n与波长与波长之间的依赖关系曲线，即色之间的依赖关系曲线，即色散曲线。散曲线。实验阐明：凡在可见光范实验阐明：凡在可见光范围内无色透明的物质，它围内无色透明的物质，它们的色散曲线方式上很类们的色散曲线方式上很类似，其间有许多共同特点，似，其间有许多共同特点，如如n随随的添加而单调下降，的添加而单调下降，且下降率在短波一端更大，且下降率在短波一端更大，等等。这种色散称为正常等等。这种色散称为正常色散。色散。当白光经过介当白光经过介质发生正常色质发生正常色散时，白光中散时，白光中不仅紫光比红不仅紫光比红光偏折的厉害，光偏折的厉害，而且在所构成而且在所构成的光谱中，紫的光谱中，紫端

23、比红端展得端比红端展得更开。更开。1836年科希年科希A.L.Cauchy，1789-1857)给出一个正常色散给出一个正常色散的折射率随波长变化的阅历公的折射率随波长变化的阅历公式。式。正常色散的阅历公式：正常色散的阅历公式：42CBAn上式称为科希公式，式中上式称为科希公式，式中A，B，C是与物质有关的是与物质有关的常数，其数值由实验数据来确定，当波长变化范围不常数，其数值由实验数据来确定，当波长变化范围不大时，科希公式可只取前两项，即大时，科希公式可只取前两项，即2BAn那么介质的色散率为：那么介质的色散率为：32BddnA、B均为正值，上式阐明，折射率和色散率的数值均为正值，上式阐明，

24、折射率和色散率的数值都随波长的添加而减小，当发生正常色散时，介质的都随波长的添加而减小，当发生正常色散时，介质的色散率小于零。色散率小于零。对介质有剧烈吸收的波段称为吸收带。实验阐明，在剧对介质有剧烈吸收的波段称为吸收带。实验阐明，在剧烈吸收的波段，色散曲线的外形与正常色散曲线大不一烈吸收的波段，色散曲线的外形与正常色散曲线大不一样。样。 二二. 反常色散反常色散假设向红外区域延伸，假设向红外区域延伸，并接近吸收带时，色并接近吸收带时，色散曲线开场与科希公散曲线开场与科希公式偏离见图中式偏离见图中R点。点。 如下图为一种在可见光区域内透明的物质如石如下图为一种在可见光区域内透明的物质如石英在红

25、外区域中的色散曲线，在可见光区域内色散英在红外区域中的色散曲线，在可见光区域内色散是正常的，曲线是正常的，曲线PQ段满足科希公式。段满足科希公式。在吸收带内因光极弱，很难推测到折射率的数据。过在吸收带内因光极弱，很难推测到折射率的数据。过了吸收带，色散曲线了吸收带，色散曲线ST段又恢复正常的方式，并段又恢复正常的方式，并满足科希公式。满足科希公式。在吸收带内，折射率随波长的添加而添加，即在吸收带内，折射率随波长的添加而添加，即dn/d 0,与正常色散相反，这种景象称为反常色散。与正常色散相反，这种景象称为反常色散。应该指出：所谓应该指出：所谓“反常只是历史上的缘由。景象本反常只是历史上的缘由。景象本身恰反映了在吸收带内普遍服从的色散规律。身恰反映了在吸收带内普遍服从的色散规律。一切介质在透明波段一切介质在透明波段表现出正常色散；而表现出正常色散；而在吸收带内表现出反在吸收带内表现出反常色散。常色散。三三. 色散的察看色散的察看1672年牛顿首先利