6_光的吸收、散射和色散
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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。
§6.1 光的吸收
一、一般吸收和选择吸收
一般吸收 特点是吸收很少，并且在某一给定波段内几 乎是不变的。
选择吸收 特点是吸收很多，并且随波长而剧烈地变化。
二、吸收的线性规律
1、朗伯定律
光在同一吸收物质内通过同一距离时，到达该 处的光能中将有同样百分比的能量被该层吸收。
0
200 3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0 600 800 1000
/nm
三、色散类型 1、正常色散
波长 越短，折射率 n 越大； 波长 越短，色散率 D越大； 波长 很长时，折射率 n 趋于定值； 不同物质的色散曲线没有 简单的相似关系。
几种材料的色散曲线
具有以上特点的色散称为正常色散 。
在可见光附近，色散曲线可用柯西方程表示：
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。 散射与衍射的区别 散射：大量排列不规则的非均匀小“区域”的集合 形成的，非均匀小区域的线度<。 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≈。
二、光散射的基本类型
0
d d 0 d 0 dn D d d dn d
dn D 1 n 2 sin2 A d 2
2 sin A 2
红
紫
二、色散曲线
实验中用正交棱镜观察法测量色散曲线，谱线 可表示出 n～ 之间的关系。
n
1.7
可见光 1.6 1.5 1.4
重火石玻璃 轻火石玻璃 水晶 冕玻 璃 荧石
算吸收系数和散射系数。 例： 光通过一定厚度的某介质（该物质的散射系数为
其吸收系数的0.5倍）后，透射光强为入射光强的20％。
若不考虑散射的话，则透射光强可增加多少？
例：计算波长为253.6nm 和546.1 nm 的两谱线瑞利 散射的强度比。
例： 太阳光由小孔入射到暗室，室内的人沿与光线 垂直及与之成45º 的方向观察这束光线时，见到瑞利 散射的光强之比等于多少？ 例：一束光通过液体，用尼科尔正对这束光进行观察。 当尼科尔主截面竖直时，光强达到最大值；当尼科尔 主截面水平时，光强为零。再从侧面观察其散射光， 在尼科尔主截面为竖直和水平时，光强之比为 20：1， 计算散射光的退偏振度。
① 按杂质的线度
/ 10 瑞 利 散 射 ： 线 度 线 性 米 氏 散 射 ： 线 度 自 发 拉 曼 散 射 拉 曼 散 射 非 线 性 受 激 拉 曼 散 射 布 里 渊 散 射
延 德 尔 散 射 ② 按不均匀团块性质 分 子 散 射
I I0 I-dI I
dI a dx I
I I 0e
a d
其中，a 称吸收系数
2、比尔定律 实验表明：
在浓度较低的溶液中，吸收系数a与溶液浓度C 成正比： a =N· C。
其中，N 为与溶液浓度 C 无关的常数，表征物质的分子特性。
代入a与C 的关系，朗伯定律可化为:
I I 0e
植物对光的吸收 植物对光的吸收主要靠色素系统来实现，这些
色素对300～750nm的可见光有不同的吸收率。
植物的光吸收曲线
叶绿素、胡萝卜素的吸收光谱
例： 在双缝干涉实验中，两条缝的宽度原来是相等
的，若将两缝分别用不同颜色的滤光片盖住，则 A、干涉条纹的间距变宽 B、干涉条纹的间距变窄 C、干涉条纹的间距不变，但原极小处的强度不为零
NCd
3、吸收光谱 产生连续光谱的光源在通过介质后会产生吸收， 所形成的光谱为吸收光谱。
光源
样品室
计算机输 出装置
放大仪
检测仪
紫外－可见光分光光度计原理图 若用原子化装置代替样品室，就可得到某元素的 原子吸收光谱。所谓原子化就是使待测样品中的原子 达到雾化状态，并保证雾化原子处于基态。这样一旦 有外来光照，原子便可吸收外来光，产生吸收光谱。
D、不再发生干涉现象
§6.2 光的散射
一、光散射的基本规律
正常传播方向上的透射光强:
s 称散射系数，出
射光仍为自然光。
散射光的光强 : I I 0 1 cos 2
散射与反射、漫反射及衍射现象的区别
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。
B
A
440 520 600 680 760
氰苷溶液色散实验曲线
nm
n P a
正常色散曲线 Q R
S
T
反常色散曲线 可见光区 吸收带
物质的色散曲线
例：由a=1.53974和b=4562.8nm2的玻璃构成的折射棱角
为500的棱镜，当棱镜的位置防的使它对550nm的波长
处于最小偏向角时，计算棱镜的角色散率。 例：一个顶角为60º 的棱镜由某种玻璃制成，它的色散 特性可用柯西公式中的常量a =1.416, b=1.72×10-10 cm 2 来表示。将棱镜的位置放置得使它对600nm 的波长产生
na b
2
c
4
其中a、b、c为正常数。
在波长变化范围不大、 精度要求不高时，柯西方 程变为：
na
b
2
曲线的斜率为：
dn 2b 3 d
几种材料的色散曲线
2、反常色散
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。
n 2.2 1.8 1.4
三、瑞利散射 ——小于入射波长的微粒的散射
S y
x
红色
z
C
青蓝色
散射光的强度分布为：
I f ( )
4
f ( ) 入射光强的分布函数
四、散射光的偏振性
① 各向同性介质： 原传播方向 ——自然光 入射光是 自然光 斜方向 ——部分偏振
正侧方向— —线偏振
② 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。 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。 偏振度： P
§6.3 光的色散
一、色散现象
光在物质中的传播速度随波长
而改变的现象，称为色散。
c n 因为 v 所以 n f ( )
折射率随波长的变化曲线，称为色散曲线。
d 物质的色散特性可用角色散率D 描述：D d
棱镜的色分辨本领
角色散率： D lim d d 在最小偏向角θ0 附近的角色散率的数值为：
第六章 光的吸收、散射和色散
主要内容： §6.1 光的吸收
§6.2 光的散射
§6.3 光的色散
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。
Iy Ix Iy Ix
退偏振
退偏振度： 1 P
例： 某介质的吸收系数为0.32cm–1，求透射光强为入 射光强的0.1、0.2及0.5倍时，该介质的厚度各多少？
例： 一个长为30cm的玻璃管中有含烟的空气，它能
透过约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
最小偏向角。计算这个棱镜的角色散率为多少？
例：一种光学玻璃对波长435.8nm 和546.1nm 的折射率 分别为1.6130 和1.6026。用柯西公式计算这种玻璃对波 长600nm 的光的色散 dn 。 d 例：一种光学玻璃对汞蓝光435.8nm 和汞绿光546.1nm 的折射率分别为1.65250 和1.62450。用柯西公式计算计 算公式中的常量a 和b；并求这种玻璃对波长589nm 的 光的折射率n和色散 dn 。 d
§6.1 光的吸收
一、一般吸收和选择吸收
一般吸收 特点是吸收很少，并且在某一给定波段内几 乎是不变的。
选择吸收 特点是吸收很多，并且随波长而剧烈地变化。
二、吸收的线性规律
1、朗伯定律
光在同一吸收物质内通过同一距离时，到达该 处的光能中将有同样百分比的能量被该层吸收。
0
200 3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0 600 800 1000
/nm
三、色散类型 1、正常色散
波长 越短，折射率 n 越大； 波长 越短，色散率 D越大； 波长 很长时，折射率 n 趋于定值； 不同物质的色散曲线没有 简单的相似关系。
几种材料的色散曲线
具有以上特点的色散称为正常色散 。
在可见光附近，色散曲线可用柯西方程表示：
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。 散射与衍射的区别 散射：大量排列不规则的非均匀小“区域”的集合 形成的，非均匀小区域的线度<。 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≈。
二、光散射的基本类型
0
d d 0 d 0 dn D d d dn d
dn D 1 n 2 sin2 A d 2
2 sin A 2
红
紫
二、色散曲线
实验中用正交棱镜观察法测量色散曲线，谱线 可表示出 n～ 之间的关系。
n
1.7
可见光 1.6 1.5 1.4
重火石玻璃 轻火石玻璃 水晶 冕玻 璃 荧石
算吸收系数和散射系数。 例： 光通过一定厚度的某介质（该物质的散射系数为
其吸收系数的0.5倍）后，透射光强为入射光强的20％。
若不考虑散射的话，则透射光强可增加多少？
例：计算波长为253.6nm 和546.1 nm 的两谱线瑞利 散射的强度比。
例： 太阳光由小孔入射到暗室，室内的人沿与光线 垂直及与之成45º 的方向观察这束光线时，见到瑞利 散射的光强之比等于多少？ 例：一束光通过液体，用尼科尔正对这束光进行观察。 当尼科尔主截面竖直时，光强达到最大值；当尼科尔 主截面水平时，光强为零。再从侧面观察其散射光， 在尼科尔主截面为竖直和水平时，光强之比为 20：1， 计算散射光的退偏振度。
① 按杂质的线度
/ 10 瑞 利 散 射 ： 线 度 线 性 米 氏 散 射 ： 线 度 自 发 拉 曼 散 射 拉 曼 散 射 非 线 性 受 激 拉 曼 散 射 布 里 渊 散 射
延 德 尔 散 射 ② 按不均匀团块性质 分 子 散 射
I I0 I-dI I
dI a dx I
I I 0e
a d
其中，a 称吸收系数
2、比尔定律 实验表明：
在浓度较低的溶液中，吸收系数a与溶液浓度C 成正比： a =N· C。
其中，N 为与溶液浓度 C 无关的常数，表征物质的分子特性。
代入a与C 的关系，朗伯定律可化为:
I I 0e
植物对光的吸收 植物对光的吸收主要靠色素系统来实现，这些
色素对300～750nm的可见光有不同的吸收率。
植物的光吸收曲线
叶绿素、胡萝卜素的吸收光谱
例： 在双缝干涉实验中，两条缝的宽度原来是相等
的，若将两缝分别用不同颜色的滤光片盖住，则 A、干涉条纹的间距变宽 B、干涉条纹的间距变窄 C、干涉条纹的间距不变，但原极小处的强度不为零
NCd
3、吸收光谱 产生连续光谱的光源在通过介质后会产生吸收， 所形成的光谱为吸收光谱。
光源
样品室
计算机输 出装置
放大仪
检测仪
紫外－可见光分光光度计原理图 若用原子化装置代替样品室，就可得到某元素的 原子吸收光谱。所谓原子化就是使待测样品中的原子 达到雾化状态，并保证雾化原子处于基态。这样一旦 有外来光照，原子便可吸收外来光，产生吸收光谱。
D、不再发生干涉现象
§6.2 光的散射
一、光散射的基本规律
正常传播方向上的透射光强:
s 称散射系数，出
射光仍为自然光。
散射光的光强 : I I 0 1 cos 2
散射与反射、漫反射及衍射现象的区别
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。
B
A
440 520 600 680 760
氰苷溶液色散实验曲线
nm
n P a
正常色散曲线 Q R
S
T
反常色散曲线 可见光区 吸收带
物质的色散曲线
例：由a=1.53974和b=4562.8nm2的玻璃构成的折射棱角
为500的棱镜，当棱镜的位置防的使它对550nm的波长
处于最小偏向角时，计算棱镜的角色散率。 例：一个顶角为60º 的棱镜由某种玻璃制成，它的色散 特性可用柯西公式中的常量a =1.416, b=1.72×10-10 cm 2 来表示。将棱镜的位置放置得使它对600nm 的波长产生
na b
2
c
4
其中a、b、c为正常数。
在波长变化范围不大、 精度要求不高时，柯西方 程变为：
na
b
2
曲线的斜率为：
dn 2b 3 d
几种材料的色散曲线
2、反常色散
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。
n 2.2 1.8 1.4
三、瑞利散射 ——小于入射波长的微粒的散射
S y
x
红色
z
C
青蓝色
散射光的强度分布为：
I f ( )
4
f ( ) 入射光强的分布函数
四、散射光的偏振性
① 各向同性介质： 原传播方向 ——自然光 入射光是 自然光 斜方向 ——部分偏振
正侧方向— —线偏振
② 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。 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。 偏振度： P
§6.3 光的色散
一、色散现象
光在物质中的传播速度随波长
而改变的现象，称为色散。
c n 因为 v 所以 n f ( )
折射率随波长的变化曲线，称为色散曲线。
d 物质的色散特性可用角色散率D 描述：D d
棱镜的色分辨本领
角色散率： D lim d d 在最小偏向角θ0 附近的角色散率的数值为：
第六章 光的吸收、散射和色散
主要内容： §6.1 光的吸收
§6.2 光的散射
§6.3 光的色散
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。
Iy Ix Iy Ix
退偏振
退偏振度： 1 P
例： 某介质的吸收系数为0.32cm–1，求透射光强为入 射光强的0.1、0.2及0.5倍时，该介质的厚度各多少？
例： 一个长为30cm的玻璃管中有含烟的空气，它能
透过约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
最小偏向角。计算这个棱镜的角色散率为多少？
例：一种光学玻璃对波长435.8nm 和546.1nm 的折射率 分别为1.6130 和1.6026。用柯西公式计算这种玻璃对波 长600nm 的光的色散 dn 。 d 例：一种光学玻璃对汞蓝光435.8nm 和汞绿光546.1nm 的折射率分别为1.65250 和1.62450。用柯西公式计算计 算公式中的常量a 和b；并求这种玻璃对波长589nm 的 光的折射率n和色散 dn 。 d