光的吸收、色散和散射

第六章光的吸收、色散和散射

§6.1光的吸收§6.2光的色散§6.3吸收和色散的经典理论§6.4光的散射§6.1光的吸收除了真空,没有一种介质对任何波长的电磁波是透明的,所有介质都是对某一些波长范围内的光透明,而对另一些波长范围的光不透明即有吸收吸收---光波通过介质后光强减弱的现象一般吸收---对给定波长范围的光吸收很小且不随波长变化如:石英对可见光波段选择吸收---对某些波段的光有强烈的吸收如:石英对3.5～5.0μm吸收大多数介质都同时存在一般吸收和选择吸收§6.1.1

光吸收定律平行光入射通过长度为l的介质取一薄层dl,由于吸收，光强由I→I-dI朗伯（Lambert）的实验结果是对其积分吸收系数---朗伯定律或朗伯吸收定律(6-16)(6-17)(6-19)吸收系数K愈大，则吸收愈强烈。金属：K=106cm-1，玻璃K=10-2cm-1

大气K=10-5cm-1吸收系数为波长的函数溶液中的吸收系数与浓度有关，吸收系数K与浓度成正比：α为比例常数则溶液中的吸收定律为比尔定律：比尔定律成立的条件是：物质分子的吸收本领不受周围邻近分子的影响，即浓度不能太大（6-20）§6.1.2吸收光谱一连续光谱的光通过有选择性吸收的介质，然后通过分光仪得到的光谱就是吸收光谱与K(ω)-ω

线一致§6.2光的色散光的色散（分光）现象由折射定律可知：折射率n是随波长分布的：n（λ）色散率：单位波长差所产生折射率差，是介质色散程度的度量或（6-21）（6-22）一、正常色散折射率随波长增加而减小的色散---正常色散正常色散可以用科希（Canchy）公式来描写（6-23）通过三个波长实验测量3个n---即可得A，B，C三个常数对于波长间隔不太大时，可只取前两项：（6-25）（6-24）二、反常色散

1862年勒鲁实验：碘蒸汽三棱镜分光，紫光折射率比红光折射率小与正常色散相反，因此称其为反常色散，波长↓：折射率↓波长↑：折射率↑反常色散与选择吸收有关，也属正常反常色散都发生在吸收带内图为石英的色散曲线，测量扩展到红外吸收区

吸收带内为反常色散区吸收带之间均为正常色散区钠蒸气由底部向顶部扩散管内蒸气密度由顶部向底部逐渐增加这相当于一蒸气棱镜其厚度由上向下增加分两部分：1）S1，L1，L2，S2准直聚焦，S1在S2上成像

2）S2，L3，P，L4

分光系统当管子未加热时，气体均匀

S1的白光成像于S2后，在分光仪焦面上得一窄的水平光谱带当管子加热时，管内蒸气产生棱镜色散作用，使S1白光在S2上呈上下的彩色像：波长远离吸收线时，蒸气折射率近乎为1，分光仪后焦面上水平连续谱不受影响光波从短波方向接近于吸收线时，蒸气折射率小于1，光谱带向下偏转光波从长波方向接近于吸收线时，蒸气折射率大于1，光谱带向上偏转当钠蒸气密度加大到钠双线重合时，观察到的色散谱线如图a当钠蒸气密度小时，可观察到两条谱线所对应的两个反常色散区如图b，c§6.3吸收和色散的经典理论

光的吸收和色散过程，实际上就是光与介质中原子或分子相互作用过程洛仑兹电子论---洛仑兹从原子和分子的观点提出的电子论※组成物质的原子或分子内的带电粒子（电子或离子）被准弹性力保持在它的平衡位置并且有一定的固有振动频率※在入射光作用下，原子或分子发生极化，并以入射光频率作受迫振动，形成振动的电偶极子，从而发出次波※在均匀介质中，这些次波叠加的结果使光只在折射方向继续传播下去，而在其它方向上次波的干涉而相互抵消，没有出现光※在非均匀介质中，由于不均匀质点破坏了次波的相干性，使在其它的方向上出现了散射光理论分析：1、色散介质中只有一种原子，每个原子内只有一个电子能发生受迫振动，振动电子具有的偶极矩电子离开平衡位置的距离若单位体积内有N个原子，则单位体积内的平均电偶极矩2、第二牛顿定律F=ma：受迫振动的电子的运动方程为受迫力准弹性力阻尼力（6-2）光波电场强度将电子振动的运动方程改写为---光与介质相互作用经典理论的基本方程解方程得（6-5）代入（6-2）式得由（6-6）（6-7）电极化率是复数，可写为并将（6-6）与（6-7）式对照可得（6-8）（6-9）将（6-11）与（6-10）相对照，可得（6-10）（6-11）由此可得到n和η的具体表达式，且均为光频ω的函数（6-15）沿z轴方向传播的光场复振幅§6.4光的散射§6.4.1光的散射现象当光束通过理想均匀的透明介质时，除了传播方向外，其它方向看不到光当光束通过浑浊液体或具有悬浮粒和气溶胶的大气时能看到光束轨迹光的散射---

光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向而向四周散射的现象散射分类：1、k变化，波长不变廷德尔散射分子散射2、k变化，波长也变化Raman散射Brillouin散射瑞利散射，米氏散射廷德尔散射：液体、气体中悬浮粒子（包括尘埃）、大气中气溶胶、烟雾等产生的散射瑞利散射：颗粒大小<米氏散射：颗粒在波长量级分子散射：均匀纯净的介质中由于①热运动引起密度起伏②分子各向异性引起的趋向起伏③溶液中浓度起伏而引起介质光学性质的非均匀所产生的散射§6.4.2散射理论一、瑞利散射

---研究分子散射时由瑞利提出来的理论由于分子质点的热运动破坏了分子间固定的位置关系，使分子所发出的次波不再相干，因而产生了旁向散射光1、按电磁理论：每个次波的振幅与它频率的平方成正比，光强与振幅成正比所以散射光强度与频率的四次方成正比∝∝∴短波长的光比长波长的光散射更多解释大气现象：①为什么天空呈光亮②天空为什么呈蓝色

③中午太阳呈白色④旭日和夕阳呈红色2、散射光强分布∝3、散射光是偏振光二、米散射理论尚不成熟，仅适用于导电粒子三、透射光