光学课件6,

1、实验装置 2、现象解释：两种不同材 料的棱镜射光的偏转不同， 在屏幕上出现曲线。
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Hale Waihona Puke 6.4.2、正交棱镜观察法—显示色散最清楚的 方法
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6.4.3、正常色散与反常色散 • 1. 正常色散:波长越短折射率越大的色散。 • 色散曲线的特点： ①波长越短，折射 率越大； dn ②波长越短， d 越 大，角色散率也越大； ③在波长一定时， 不同物质的折射率越大， dn 也越大； d ④不同物质的色散曲 线没有简单的相似关系.
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主 要 内 容
• • • • • 电偶极辐射对反射和折射现象的解释 光的吸收 光的散射 光的色散 色散的经典理论
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6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释
6.1.1、电偶极子模型 在外电场的作用下，组成物质的基本粒子的 正负电荷中心发生偏移，形成电偶极子。 正负电荷中心间的化学力为准弹性力，电偶 极子构成简谐振子，在外来光的作用下受迫振动。 • 电偶极子类型： 电子振子：带负电的电子与带正电的原子核组成。 振动时，原子核几乎不动，电子做简谐振动。
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正常色散不能用公式准确描述 • 常用公式 b c • 柯西方程： na
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为经验公式，式中a、b、c由实验测定的常 数。 b dn 2b 一般： n a , .
2 d 3
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2.反常色散：波长越短，折射率越小的色散. 孔脱定律：反常色散总是与光的吸收有密切 联系。
6.4 光的色散 6.4.1、色散的特点
由棱镜和光栅得到的氦的光谱
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1 .色散的特点： 1） 短波区角色散率大于长波区 2） 色散光谱（由棱镜折射而成）是非匀排 的，衍射光谱（光栅）的谱线是匀排的。 3 ）折射率越大，角色散率越大，光谱分得 越开 4）各种物质的色散没有简单的关系。
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2.描述色散特点的物理量-----角色散率
第6章 光的吸收、散射和色散
Absorption、Scattering and Dispersion of Light
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光通过物质时其传播情况就会发生变化： • ⒈ 光束越深入物质，强度将越减弱；
①光的能量被物质吸收——光的吸收； ②光向各个方向散射——光的散射。
•
⒉ 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——光的色散。 • ——光和物质的相互作用是不同物质光 学性质的主要表现——光和原子中电子的 相互作用.
2 2
—— CO 与 OX 轴之间的夹角 。
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6.3.6、分子散射
晴朗的天空呈浅蓝色---蓝光的散射力强；清晨 日出和傍晚日落太阳呈 红色----红光的穿透力强------大气微粒的瑞利散射。 白昼的天空是亮的、 云雾呈白色等------水蒸气 分子的散射------对各种波 长的散射力几乎相同。
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问题1：一个长为30cm的玻璃管中有含烟的 空气，它能透射60%的光。若将烟粒完全除 去后，则92%的光能透过。如果烟粒对光只 有散射而无吸收，试计算吸收系数和散射系 数。
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问题2：若在白光中波长为400 nm的紫光与 720 nm的红光具有相同的强度，试求在散射 光中两者的比例是多少？
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分子振子：构成的正负电荷的微粒质量的数量级 相差不大。振动时，正负电荷中心都作简谐振动。
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•
电偶极子做受迫振动向外辐射电磁波， 每个振动的电偶极子都是次波波源。 • 电偶极子的辐射 ：（外来光频率ω ）
eA R 2 E 4π c 2 R sin cos (t c ) 0 e 2 A 2 4 2 0 S I sin 2 2 eA R 32π CR 2 H sin cos (t ) 4π 0 0 c 3 R c
• 入射光波到达分子的不同部位时的相位相同， 同种分子排列规则、连续，次波间相位关系恒 定，满足惠更斯—菲涅尔原理。
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• 在均匀介质中，所有次波与入射光波的相 干叠加使波原来方向加强，其他方向相消， 波按原来的方向沿直线传播。 • 波的相位与物质的固有频率有关，故光的 传播速度与物质有关。 • 反射和折射时涉及两种物质， 在两种物质 内波有不同传播速度。从一种物质进入另 一种物质时，分子是不连续的，在此处波 的相位有突变，相干叠加后光的传播也有 变化：反射和折射。
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• 布儒斯特定律得解释：在布儒斯特角入射时， 在n2介质中所有次波的电矢量的平行分量与电 偶极子的方向相同，则在该方向上无电磁波传 播（能量为零）。
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6.2 光的吸收
• 一、一般吸收和选择吸收
• 二、朗伯定律 • 三、吸收光谱
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6.2 光的吸收 6.2.1 、一般吸收和选择吸收 • 所有物质对某些范围内的光都是透明的， 而对另一些范围的光却是不透明的。 • ①一般吸收：吸收很少，并且在某一给定 波段内几乎是不变的；——透明 • ②选择吸收：吸收很多，并且随波长而剧 烈地变化。——不透光 • 任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。 它们是物质吸收的一般属性。
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6.3.4、散射光的偏振性
各向同性介质：
入射光是自然光 正侧方向——线偏振 斜方向 ——部分偏 原传播方向 ——自然光.
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用电偶极子模型解释： • 入射光为平行于y轴的 线偏振光入射时，其 散射微粒所发出的电 磁波的偏振方向如图 （a）所示
• 入射光为平行于y轴和 z轴的线偏振光----自然 光入射时，不同方向 的散射光的振动方向 如图（b）所示
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各向异性介质： • 入射光是线偏振光，侧向及透射方向— —部分偏振----退偏振。
各向异性介质中的电偶极子与入射的电矢量 不平行，其发射的次波振动方向不平行。 Iy Ix 偏振度： p Ix Iy 退偏振度：
D 1 p
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6.3.5、散射光的强度
• 散射光的强度
I Z I C cos , I y I 0 , I I 0 (1 cos )
2 sin( A ) d dn 2 D d d 1 n sin ( A ） 2
2 2
它是两个因数的乘积：第一个因数主要与棱镜 的棱角A有关，第二个因数有关棱镜物质的色散 特性。
dn d
要研究色散，重要的是找 在各波长区的值， 或者找出n=f（λ）的函数形式。
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6.4.2、正交棱镜观察法—显示色散最清楚的 方法
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2.反常色散：波长越短，折射率越小的色散. “反常”色散实际上也是很普遍的，“反常” 并不反常，“反常”色散和“正常”色散仅是 历史上的名词。
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6.3.3、瑞利散射
1. 瑞利散射： < 的微粒对入射光的散射现象 l 2. 瑞利定律：散射光强度与波长的四次方成反比， 即： I=f () -4 • f ()——光源中强度按波长的分布函数 3.应用：红光散射弱、 穿透力强（信号旗、 信号灯）→红外线 （遥感等），蓝光穿 透力弱，散射强。
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6.2.2、朗伯定律
朗伯定律：光在同一吸收物质内通过同一距离时，到达该 处的光能力中将有同样百分比的能量被该层吸收。 光能→振动能→平动能→热能
dI Idx
I
dI a Idx
d dI I0 I 0 a dx I I 0 e a d，a 为吸收系数
d
⒉比尔定律
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6.3.2 散射与反射、漫反射及衍射现象的区别
1.散射与直射、反射及折射的区别 ——“次波”发射中心排列的不同 散射时无规则，而后者有规则。 2.散射与漫反射的区别：——散射的次波中心的排 列无规则，漫反射在每个小平面区域内次波中 心的排列仍有规则。
3.散射与衍射的区别： 衍射：因个别的不均匀区域（孔、缝、小障 碍等）所形成的，不均匀区域范围大小≈。 散射：大量排列不规则的非均匀小“区域” 的集合所形成的，非均匀小区域的线度<。
稀溶液： a AC
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式中A是一个与浓度无关的常量，C为溶液的浓度。
6.2.3、吸收光谱
•
产生连续光谱的光源所发出的光，通过有 选择吸收的介质后，用分光计可以看出某些 线段或某些波长的光被吸收，这就形成了吸 收光谱。 • 吸收光谱在化学、国防、气象等部门有广 泛的应用。
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两个远近不一的脉冲星的光谱
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6.3 光的散射
规律：
I I 0e
( a s ) d
I 0e
d
a s
吸收系数 散射系数 衰减系数
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6.3 光的散射
6.3.1、非均匀介质中散射的经典图像 1.散射的定义：当光束通过光学性质不均匀的 物质时从侧向却可以看到光的现象，称为光 的散射。 1）均匀介质中散 布者很多其他微粒， 且微粒的线度很小； 2）物质组成纯净， 但各部分密度不同， 整体也是不规整的 聚集。
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当 时 I I max 2
当 0 时
I I min 0
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6.1.2、 电偶极辐射对反射和折射现象的初步解释 • 电偶极子模型——可以解释：光在均匀各向同 性物质中直线传播，光在两种物质界面上的反 射定律、折射定律、布儒斯特定律、光的传播 速度…… • 可见光光波波长： 10-5cm >> 物质的基本组成 分子或原子的线度：10-8cm。