光的吸收散射和色散

光通过物质，其传播情况发生变化，有两个方面：一、光强随光深入物质而减弱：光能或被物质吸收，或向各个方向散射所造成。二、物质中光的传速度小于真空中的，且随频率变化，光的色散。这都是光与物质相互作用引起的，实质上是光和原子中的电子相互作用引起的。§1电偶极辐射对反射、折射现象的解释一、电偶极子模型（理想模型）用一组简谐振子来代替实际物质的分子，每一振子可认为是一个电偶极子，由两个电量相等，符号相反的带电粒子组成，电偶极子之间有准弹性力作用，能作简谐振动。两种振子：原子内部电荷的运动（电子振子）：核假定不参加运动，准弹力的中心分子或原子电荷的振动和整个分子的转动（分子振子）：质量较大的一个粒子可认为不参加运动经典解释模型电偶极子，向外辐射电磁波离开原点的距离电动力学证明，电偶极子辐射电磁波矢R：观察点与偶极子的距离由上面式子，光在半径为R的球面上各点的位相相等（球面波）落后原点。但振幅则随角度，即波的强度I（能流密度）在同一波面上。分布不均匀，见图最大（赤道面上）在两极即偶极子轴线方向上。二、电偶极辐射对反射和折射现象的初步解释原子、分子：光波长：在固或液物中，可认为在一个光波长范围，分子的排列非常有规律，非常密集，或可以认为是连续的。总说明：光通过物质，各分子将依次按入射光到达该分子时的位相作受迫振动，在一分了的不同部分，入射光的位相差忽略不计。各分子受迫振动，依次发出电磁波，所有这些次波保持一定位相关系（同惠一原理中次波）说明1：各向同性均匀物质中的直线传播所有分子振子在各方向有相同的图有频率，分子受迫振动发出次级电磁波将与入射光波迭加，从而改变合成波位相，改变了它的传播速度（位相速度）说明2：反射与折射电射与折射是由于两种介质界面上分子性质的不连续性所引起，用同样模型可解释。说明3：希儒斯特定律一个分子电偶极在E2的作用下，沿平行E2的Z轴方向作受迫振动所辐射的“次波”。反射光方向垂直于折射光方向时，反射光方向恰与轴平行，即在此方向无“次波”。如果入射角不等于布儒斯特角，即Z轴不与反射光平行，其夹角为，反射光强可用矢量I（图中）的长度确定，实际情况要复杂些。§2光的吸收一般吸收：特点是吸收少例石英对可见光的吸收（几乎是透明的）选择吸收：吸收很多，并随波长而剧烈变化。例：石英对的红外光强烈。一、朗伯定律光矢量带电粒子受迫振动为光矢提供的粒子与其它原子或分子碰撞振能平动能物体发热光能变热能（解释）从能量观点：朗伯提出假设：光在同一吸收物质内，通过同一距离时，到达该处的光能量中将有同样百分比的能量被该层物质吸收。：吸收系数，定不变。对可见光，实验表明这规律在光强度变化非常大的范围（1020倍）都正确。空气：玻璃：比尔定律：淡溶液不成立，浓度大，分子间相互作用不可忽略，在比尔定律成立下，由光在溶液中被吸收的程度，决定溶液的浓度——吸收光谱分析的原理。二、吸收光谱连续光通过选择吸收的介质后，用用光计可看出，某些线段或某些波长的光被吸收——吸收光谱。§3光的散射当光通过光学性质不均匀的物质时，从侧向都可以看到光，这现象叫光的散射。衰减系数散射系数一、非均匀方法中的散射光学性质的不均匀：（1）均匀物质中散希看折射率与它不同的其它物质的大量微粒；（2）物质本身的组成部分（粒子）不规律的聚集。例：尘埃、烟、雾、悬浮液、乳状液、毛玻璃等。特征：杂质微料的线度一般小于光波长，相互间距大于波长，排列毫无规则，在光照下的振动无固定位相关系，任何点可看到它们发出次波的迭加，不相消，形成散射光。二、散射和反射，漫射和衍射的区别（1）散射：“次波”发射中心排到不同，无规则，直射、反射、折射：有规则，物体线度远大于波长。（2）反射：反射定律仅在介质表面是理想光滑平面（镜面）的条件下方适用。（注：任何物质表面永不可能是几何平面，由于分子热运动，表面不断变化，但只要“凸”、“凹”部分线度远小于光的波长，就可认为是理想的光滑平面）（3）漫反射：实验镜面都不是理想的，因而产生漫反射，这时，可认为是许多小镜面反射的强度迭加，光从每小镜面反射时仍可认为逆从反射定律，只是这些小镜面法线方向无秩序，但它们次波中的排列仍有某些不同的方向性，从侧面看，有些地方看不见光。（4）散射与衍射的区别：衍射的不均匀区域（小孔，缝等）可与波长比拟。散射是大量排列到不规则的非均匀小区域集合形成的小区域一般比小波长小，小区域虽有衍射，但由于不规则排列发生不相干迭加，总体看，观察不到衍射现象。三、瑞利散射水中滴牛奶，浑浊物质从正侧面观察（垂直入射光的传播方向）Z：散射光带青蓝色，短波或分散多。X：光显较红。设入射光、分布则散射光强分布：这种线度小于光波长的微粒对入射光的散射现象通常称为瑞利散射。解释：散射光是受迫振子发生的次波已迭加，由在与角观察时，成正比散射光频与入射光同，则成反比这规律说明了散射光中短波占优势，而直接通过物质光的，由于缺少可短波成分，故显红。注：如果微粒线度超过波长，一个微粒内各点入射光位相差不可忽略，因而强度与入之间没这么简单的关系（入幂次低于4）。所以，红光通过薄雾时，比兰光穿透力强，因红光散射物红外线比红色光穿透力更强，适用于运距照相或遥感技术。四、散射光的偏振从正侧面，用尼科尔棱镜观察平面偏振光，从斜侧（侧C）：部偏光X轴：自然光解释：1．对各向同性介质（1）设入射光是平偏光，传播方向，振方为，设备面同性粒子发生散射，受迫振动。电矢量也平行于轴次波是球面波，又波的电矢必须垂瞌睡传播方向，所以在赤道平面上各是振幅最大在两极处为零。（2）入射光矢：振方在z方向，传方仍为，将上图转900，此时是极，是赤道。（3）自然光入射，传方，分解为两束振方为和z在z方向观察各见到沿y轴振动的光，因而是平偏光，在其它方向（CP），即为部偏光。2、各向异性介质情况较复杂，平偏光照射某些气体或液体，从侧向观察，散射光变成部分偏振光，叫退偏振。如果入射偏光为x轴散射光，分别表示沿y和x轴振动，偏振度退偏振度：五、散射光强度散射光强度相对入射光传播方向是对称的，对于垂直于入射光束的方向也是对称的。设：观察方向CO，作XOZ平面，在平面内。（1）分子沿Z轴振动，次级波在CO上（2）分子沿轴振动，则不论如何，（3）如果是自然光则六、分子散射由于物质分子密度的涨落而引起的（密度的起伏取决于分子的无规则运动（有统计意义））叫分子散射。晴朗的天空呈浅蓝色大气散射一部分来自悬浮的尘埃，大部分则是密度涨落引起的分子散射。瑞利反比律的作用更明显。浅蓝色和蓝色光比黄、红光散射更厉害。白昼的天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光结果。否则太阳是一暗背景上的红火球。清晨日出或傍晚日落时，太阳呈红色，这是因为太阳查几乎平行于地平面，穿过的大气层最厚，所有较短波长几乎朝侧向散射，仅剩下波长较长的红光到达观察者，但此时仰观天空仍是浅色，而云块为阳光照射，亦呈红色（朝、晚霞），正午太阳光穿过的大气层最薄，散射不多，故太阳仍成白色。白云是大气中的水滴组成，水滴的半径与波长相比不算小，瑞利散射不再适用。因此，水滴产生的散射与波长的关系不太大，云雾呈现白色的缘由。§7-4光的色散一、色散的特点可用角色散率表示，棱镜折射而成的色散光谱是非匀排的光栅产生的衍射光谱是非排的。二、正交棱镜观察法三、正常色散与反常色散正常色散科希公式可见光波段反常色散，吸收光谱§7-5色散的经典理论由洛伦兹的经典电子论，得到电磁场频与介电常数的关系，由此得到与折射率的关系，解决了麦克斯韦理论的最初困难（按麦理论，只与介电常数联系，与无关），阐明了色散现象。如果认为不是恒量，与有关，那么仍可由麦氏关系来推得色散方程。下面电偶极子模型，即，（电极化强度）及外电场之间有联系，唯象解释。设每一个偶极子电矩，分子或原子中正电荷不动，负电荷位置表示，从正指向负设所有电偶极子都有等量电矩单位体积内有N个电偶极，在外场作用下，指向相同，振动沿同一直线，中只考虑大小。1、首先计算电荷在外场作用下相对另一静止电荷的振动。作用在q上的三个力（电偶极模型）（1）（外场强迫力）（2）准弹性力（3）阻尼力弹性系数，阻尼系数，常数与v无关。（2）（3）力与相反。受迫振动方程设，令，以固有频则