光的吸收、色散 和散射

一，光的吸收1.1线性吸收定律单色光通过均匀介质的吸收：l适用于普通强度的光源，对于高强度的光源，由于光与物质相互作用的非线性效应，吸收系数不再是常数，

=(I)。吸收定律适用性：吸收系数

对不同波长

的光具有不同程度的吸收，结果白光偏色。选择性吸收：普遍吸收或中性吸收：吸收系数

对不同波长的光具有相同程度的吸收，结果白光强度衰减但不偏色。1.2吸收光谱实验系统Lens1＋Slit1：获得均匀的白光Pinhole：消除杂散光物质的吸收线或吸收带的波长值恰与该物质的发射谱线或谱带一致。介质对光的吸收本质为共振吸收。吸收光谱特征：夫琅和费线：在太阳光谱中离散的暗线。二，光的色散介质的折射率随波长而变的现象－－色散效应。2.1正常色散和柯西(A.Cauchy)公式正常色散：折射率n随波长增加而减少的现象。柯西公式：柯西公式仅适用可见光波段。近似色散效应在短波长更显著2.2反常色散折射率n随波长增加而增加的现象。特征：在吸收带区，不连续。可见光区吸收带石英色散曲线：2.3物质的全域色散曲线2.4色散的观察正常色散的观察：交叉棱镜法（牛顿1672）反常色散的观察：交叉棱镜法（R.W.Wood，1904）钠蒸气在D黄线附近的反常色散三，光的散射3.1散射的机理（1）分子散射介质中的原子和分子内部的电子在光波电磁场作用下，产生同频率的受迫振动，形成偶极振子；偶极振子作为新的次波源向四周发射次波；次波相干叠加，次波与主波叠加构成散射场。侧向散射光强的大小与分子尺度和分布有关：光波长

>>分子平均距离>分子尺寸a,单元散射－全方位散射。分子分布规则，相干叠加

侧向散射光强为零，只有入射方向的零级波。－－光的直线传播定律。次波与主波的叠加

零级波相位滞后

介质中光波相速度小于真空中的光速。分子热运动

分子密度不均匀

侧向光强0。分子线度小

偶极子的振动强度弱

弱散射。（2）微粒散射微粒线度a与

相当，微粒间距>>

，衍射元。衍射全方位。微粒无规则分布

衍射波叠加不相消

明显散射效应。大颗粒a>>

，散射光场由单元反射波和透射波的非相干叠加构成。3.2瑞利（Rayleigh）散射定律微粒线度a<<

的质点散射问题

：散射光方向与入射光方向的夹角。I0：

=/2

的散射光强。瑞利散射光强具有光波长和方向的选择性

短波长散射强烈和前后散射强烈，垂直方向散射最弱。蓝天、红日和白云的解释大气层地球傍晚早晨中午大气散射：分子散射＋微粒散射散射光强：蓝光>红光

天空蓝色。晴天以分子散射为主。早晚：阳光掠入射，大气层厚，散射

蓝光损失多，太阳红色。多云或阴天，微粒散射为主。衍射效应、反射与透射效应对波长不敏感

白光。瑞利散射光的偏振态线偏振光入射，瑞利散射光仍为线偏振光；自然光入射，瑞利散射光一般为部分偏振光，偏振度随散射角

而变。a.

=0，偏振度=0，偏振态不变；b.

=/2，偏振度=1，散射为线偏振光。3.3米氏散射米氏（G.Mie）－德拜（P.Debye）散射－－研究较大粒子的散射（a>

)M-D散射理论：2a/

<0.3，散射的色效应和角分布与瑞利散射定律一致；2a/

较大，散射强度几乎与波长无关。M-D散射：前向散射强度>后向散射强度。瑞利散射：米氏散射：3.4拉曼散射瑞利散射和米氏散射入射光与分子相互作用不引起散射光频率改变，散射光与入射光频率相等。拉曼散射入射光与分子相互作用并交换能量，导致散射光的频率与入射光的频率不等。拉曼散射光谱特点：a.在每条入射谱线

0两侧，均伴有频率差为i的若干条谱线。在长波一侧，谱线频率为(0-i)－－红伴线或斯托克斯线；在短波一侧，谱线频率为(0+i)－－紫伴线或反斯托克斯线；反斯托克斯线弱于斯托克斯线。b.谱线频率差

i与入射光频0无关，与散射物质的红外吸收频率一致。拉曼散射的量子理论说明：斯托克斯线反斯托克斯线拉曼效应的优点：将分子振动的红外光频转移到入射的可见光频

0附近。四，相速度与群速度4.1理想单色波传播相速度相位不变条件：波的速度：vp的物理意义：等相位面的传播速度－－相速度理想单色波：vp－相速度运动状态传播速度能量传播速度4.2非单色波传播光学拍和群速度两个不同频率单色光波的迭加合成波：合成波光强：光波强度随时间和位置周期变化的现象－－光学拍。拍频：波包1拍波拍的传播速度vg：等幅面的传播，即振幅恒值点的移动速度－群速度。振幅不变条件：合成波群速度：

很小（谱线接近）合成波相速度：群速度与相速度关系：a.在真空或无色散介质中，两单色光波速度相同群速度＝相速度相位不变条件：b.在色散介质中，两单色光波