光的吸收、色散和散射资料

1、1光的吸收、色散(ssn)和散射共五十二页2 光的吸收、色散和散射(snsh)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。共五十二页3光射入媒质，主要发生两个方面的变化： 强度逐渐减弱 吸收和散射速度小于 ，且随 变化 色散 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(lin z l xu)与量子电动力学讨论。共五十二页电偶极子模型(mxng) 光 物质，物质中分子，原子或离子中电荷在 作用下受迫振动。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(fsh)次级

2、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 共五十二页光的吸收 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。 分子碰撞共五十二页一 吸收(xshu)的线性规律 1.朗伯定律(dngl) 实验表明，在相当广阔的光强范围即：光通过 光的吸收 比例系数 与光强无关（对给定波长） 该物质的吸收系数共五十二页若光通过厚度为 的媒质 朗伯定律(dngl)（J.H.Lambert

3、，1729）亦称为(chn wi)布格尔定律（P.Bouguer，1729）光的吸收 共五十二页2.比尔定律(dngl) 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。 是一个与浓度无关的常数。（表征吸收物质的分子特性）比尔定律(dngl) 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 共五十二页 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

4、.说明(shumng) 光的吸收 共五十二页二 光的吸收(xshu)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(tbi)强烈。对可见光的选择吸收，会使白光 彩色光 光的吸收 共五十二页 绝大部分物体呈现颜色(yns)，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(mizh)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

5、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。4-2光的吸收 共五十二页三 吸收光谱(x shu un p) 1.光谱实验：观测物质对光的选择(xunz)吸收。吸收物质白光光谱仪分光计可调谐扫描激光（染料）光的吸收 共五十二页132.吸收光谱(x shu un p) Na蒸气吸收光谱光的吸收 共五十二页 同一物质(wzh)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(

6、fnz)气体，液体，固体）和连续光谱。光的吸收 共五十二页 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(fngf)发现了铯，铷，铊，铟，镓 等新元素。3.应用(yngyng)光的吸收 共五十二页 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(yn u)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 共五十二页一 色散(ssn)现

7、象 不同频率的光在同一物质(wzh)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）光的色散共五十二页二 色散(ssn)与经典电磁理论 色散现象(xinxing)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：（非铁磁质）与频率无关光的色散共五十二页 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。三 色散(ssn)的特点棱镜色散(ssn)（色散(ssn)光谱） 非匀排光栅色散（光栅光谱）

8、 匀排光的色散共五十二页棱镜(lngjng)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。光的色散共五十二页四 正交棱镜(lngjng)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(ssn)和反常色散(ssn) 分析色散曲线P197图6-3 的几个特点 小 大 小 大光的色散共五十二页 不同物质 大 大 不同物质的色散曲线没有简单(jindn)的相似关系。1.正常(zhngchng)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

9、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。光的色散共五十二页2.孔脱定律：反常色散总是与光的吸收有 密切联系 “反常(fnchng)”的含义：并不反常(fnchng)，很普遍。 “反常”色散(ssn)和“正常”色散(ssn)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。光的色散共五十二页24实验色散(ssn)曲线介质(jizh)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n1.701.601.501.40020010

10、00800 400600正常色散曲线光的色散共五十二页六 色散方程1 柯西方程(fngchng)： 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 正常色散曲线说明： 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。光的色散共五十二页 此式在可见光区域对正常色散相当(xingdng)准确。大多数情况(qngkung)，取前两次就足够。即：色散光的色散共五十二页2 塞耳迈尔方程(fngchng)： 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(fjn)和远离吸收带处的全部色散情况。说明： 式中 ：入射

11、光在真空中的波长。 ：物质常数 ：和固有频率有关。光的色散共五十二页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。同一介质分子振子可能有几种固有频率（对应 ）光的色散共五十二页3 亥姆霍兹方程(fngchng)（略）光的色散共五十二页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(rn men)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

12、。我们能看到划破夜空，射向天空的激光，就是(jish)利用了光的散射现象。光的散射 共五十二页31共五十二页一 光的散射(snsh)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。 总的： ：散射系数 ：衰减系数光的散射 共五十二页二 散射(snsh)与媒质不均匀性的关系 均匀媒质：受迫振动发出的相干次波，相干叠加结果(ji gu)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 共五十二页不均匀媒质：（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(jj)），不均匀性达到波

13、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 共五十二页若不均匀团块尺度 ，散射又可看成是在这些团块上的反射和折射。光的散射 共五十二页按不均匀团块的情况(qngkung)，散射可分为两大类：(1)悬浮质点的散射：如胶体，乳状液，含有(hn yu)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 共五十二页三 瑞利散射 天空为什

14、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 共五十二页散射光强 此定律(dngl)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(dngl)（1871年）光的散射 共五十二页共五十二页 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 解： 白光散射可看到青蓝色共五十

15、二页 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）。光的散射 共五十二页四 大气散射(snsh)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(xyng)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 共五十二页3.白云(bi yn)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 。蓝

16、色人朝晚光的散射 共五十二页 大气散射(snsh)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(snsh)，后者尺度比前者小得多，故瑞利定律的作用更明显。所以雨过天晴，天空总是格外蓝。五 散射光的偏振(pin zhn)状态 光源发出自然光，在垂直于入射光的方向上，散射光是线偏振光，在原入射方向上，散射光仍是自然光，沿斜方向观察，散射光是部分偏振光。光的散射 共五十二页45散射光的偏振(pin zhn)性共五十二页46散射光偏振(pin zhn)性的应用例1. 南北极探险用： “太阳罗盘”（利用阳光(ynggung)散射的偏振性）辨别方向（因磁罗盘在南北极无用）例2. 蜜蜂靠天空光的

17、偏振性辨别方向（蜜蜂的眼睛中有对偏振敏感的器官）共五十二页七 拉曼散射(snsh) 1.现象(xinxing) 瑞利散射不改变频率。1928年喇曼和曼杰利什塔姆在液体和晶体散射中发现，散射光中除有与入射光的原频率0相同的瑞利射线外，谱线两侧还有频率为0 1，0 2 ，等散射线存在，这种现象称为拉曼散射。（前苏联称联合散射）光的散射 共五十二页2.实验(shyn) 摄谱仪 水汞弧灯侧面玻璃管柱形透镜 ：散射物质 正面光的散射 共五十二页3.拉曼光谱的特征(tzhng) 在每条原始入射谱线 两旁都伴有频率差 相等的散射谱线。在长波一侧的 称为红伴线或斯托克斯线。在短波一侧的 称为紫伴线或反斯托克斯线。频率差 与入射光频率 无关。它们与散射物质的红外吸收频率对应，表证了散射物质的分子振动频率。光的散射 共五十二页4.应用(yngyng) 为研究分子结构提供了一个重要工具，用此法可容易、迅速地定出分子振动的固有频率( yu pn l)，并判断分子的对称性、内部作用力及研究相关分子动力学问题。 拉曼光谱已成为光谱学的一个重要分支，有了激光后，光强达到一定值，还可出现受激喇曼散射等非线性效应。 （还有布里渊散射）光的散射 共五十二页51共五十二页内容摘要1。这类现象的研究有两方面的意义：一方面进一步了解(li