6.1吸收散射色散
光的吸收、色散和散射_图文
§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
(6-21)
或
(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
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
(6-2)
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
阻尼力 准弹性力
光波电场强度
将电子振动的运动方程改写为
(6-5)
解方程得
---光与介质相互作用经典理论的基本方程
代入(6-2)式得
由 电极化率 是复数,可写为 并将(6-6)与(6-7)式对照可得
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
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
③中午太阳呈白色
②天空为什么呈蓝色 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
第六章_光的吸收、散射与色散
是散射光方向与入射光方向之间的夹角。
可见,散射光 强的分布是对 于光的传播方 向及垂直于光 的传播方向是 对称的。
散射光方向
入射光方向
虽然从光源发出的光是自然光,但从正侧方用检偏器检 查发现,散射光是线偏振的,沿着斜侧面观察发现是部 分偏振光,只有正对着入射方向观察时,透射光才是自 然光。
数,其数值由实验数据来确定,当波长变化范围不大
时,科希公式可只取前两项,即
n
A
B
2
则介质的色散率为:
dn
d
2B
3
A、B均为正值,上式表明,折射率和色散率的数值 都随波长的增加而减小,当发生正常色散时,介质的 色散率小于零。
二. 反常色散
对介质有强烈吸收的波段称为吸收带。实验表明,在强 烈吸收的波段,色散曲线的形状与正常色散曲线大不相 同。
当光通过介质时,不仅介质的吸收使透射光强减弱,由于 光的散射也使使射入介质的光强按指数形式衰减,因此, 穿过厚度为l 的介质透射光强为:
I I0e( )
为吸收系数,为散射系数,+就称为衰减系数。在 很多情况下,和中一个往往比另一个小很多,因而可 以忽略。
三. 散射光强的角分布和偏振态
实验表明,散射光的强度随光的方向而变化,自然 光入射时,散射光强满足下式:
假设入射光是线偏振的,传播方向沿着Z轴,如图。设
在各向同性的介质中有一粒子P。
当光与粒子相遇时,使P作
x
受迫振动,所形成的电矢量
也平行于X轴。由此产生的
次波为球面波。光波又是横
波,振动方向与传播方向垂
直。在各个方向的振幅应等 y
于最大振幅在相应方向的投
影。
第六章 光的吸收、散射和色散
( Absorption、Scattering and Dispersion of Light)
教学目标:掌握朗伯定律、瑞利定律;理解光的吸 收、散射和色散的特点及相互联系;了解有关现象 的经典理论解释。 教学内容: 第一单元(§6.2):光的吸收及规律 第二单元(§6.3):光的散射及规律 第三单元(§6.4):光的色散及规律
第6章 光的吸收、散射和色散
§6.3 光的散射
6.3.4 散射光的强度 1.正常传播方向上的光强: 因为散射分散了正常传 播方向上的光能量,表现为正常传播方向上光强的 减弱,故可用朗伯定律描述:
I I 0e
a s l
ห้องสมุดไป่ตู้
I 0e
l
s 称散射系数
2.散射光的光强:设观察方向与正常传播方向之间的 夹角为 ,散射光强为:
第6章 光的吸收、散射和色散
§6.2 光的吸收
6.2.3 吸收光谱(absorption spectrum) 产生连续光谱的光源在通过选择吸收的介质后,所形 成的光谱为吸收光谱。吸收系数大的位置出现谱线消 失。
发射光谱(emission spectrum):物体发光直接产生的 光谱。
同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关 系,物质自身发射哪些波长的光,它就强烈吸收这些 波长的光。 用途:物质的定量分析;气象、天文研究。
6.4.2 色散的特点
物质的色散特性可用角色散率D描述:
D d d
dn d
对棱镜 :
D
A 2 sin 2 A 1 n sin 2
2 2
dn d
表征 n f 关系的存在,即表征物质的色散特性。
第六章光的吸收、散射和色散
N2 : 4%;
CS2 gas : 14%; CO2 : 7%;
退偏振这一现象的解释也是瑞利提出的。他认为退 偏振度与散射分子的光学性质各向异性有关。在这 种分子里电极化的方向一般不与光波的电矢量方向 相同。测量退偏振度可以判断分子的各向异性,因 此也可以用来判断分子的结构。
§6.3 光的色散
在吸收带内,折射率随波长的增加而增加,即dn/d >0,
与正常色散相反,这种现象称为反常色散。
应该指出:所谓“反常”只是历史上的原因。现象本身 恰反映了在吸收带内普遍遵从的色散规律。
所有介质在透明波段 表现出正常色散;而 在吸收带内表现出反 常色散。
三. 色散的观察
1672年牛顿首先利用交叉棱镜法将色散曲线非常直观 地显示出来,交叉棱镜装置如图所示。
图中可以看出,沿着PA、 PA、PD、PD、PF等正侧 面观察时,散射光都是线 偏振光。振动面垂直于入 射光的传播方向。
沿着光的传播方向仍为 自然光;从其他方向观 察时,散射光是部分偏 振光。
D• x
B
F• P
•A'
B'
•A
z
y
D' •
以上讨论的散射介质,假设它的分子本身是各向同性 的。如果介质分子本身就是各向异性的,情况就要复 杂的多。
例如当线偏振光照射某些气体或液体时,从侧面观察 时,散射光变成了部分偏振光(有些情况透射光也变 成了部分偏振光)。这种现象称为退偏振。
以Ix和Iy分别表示散射光沿着x轴和y轴振动的强度, 则散射部分偏振光的偏振度为:
P Iy Ix Iy Ix
通常又引入退偏振度的概念:
1 P
例如: H2 : 1%;
Dispersion of Light
第六章光的吸收散射和色散
ii. 分子作受迫振动ω,发出电磁波(偶极振子模型)
iii. 可证明.只要分子的密度是均匀的,次波相干迭加 的结果只剩下遵从几何光学规律的光线. 沿其余 的振动干涉相消 用半波带概念.
iv. 用惠更斯 — 菲涅耳原理可解释. 但此处的“次波” 有真实的振源.
当光波在媒质中传播时,由于光波和物 质的相互作用,一般呈现两种效应,一种是 速度减慢引起的折射和双折射现象;另一种 是光能减弱的消光 (extinction)现象。消光现 象中,将光能转换成其它形式的能量,是吸 收 (absorption)现象;而有部分光波沿其它方 向传播,是散射 (scattering)现象。对于沿原 方向传播的光波来说,这两种现象都使光能 减弱,起消光作用。
不稳定非均匀介质 a 变, 非弹性散射 ( 拉曼、布里渊散射)
二. 散射、反射、漫射、衍射的区别
光的散射现象之所以区别于直射心的排列:
散射时无规则 一定有序 完全有序
散射. d <λ. 衍射. d≥λ 漫射. d >λ.
反射. d >>λ.
R表示观察者离偶极子的距离
光在半径为R的球面上各点的相位都 相等,且相位较原点处落后了R/c
但是振幅随θ角而变,这就引起波的 强度I(能流密度)在同一波面上的不 均匀分布。如图
二. 电偶极辐射对反射和折射现象的初步解释
解释1:均匀介质中的直线传播定律. i. 分子线度很小(d ~10-8cm, λ~10-5cm) . 在一个分子
解: 根据公式:
I0-II0(1-e-aad)
I 为光通过厚度为d的吸收层以后的光强,αa为吸收系数.
同样强度的光通过不同吸收物质的不同厚度,而产生相等的吸
第6章光的吸收、散射和色散
实验表明:稀溶液的吸收系数与溶液浓度有关
a () Ac A是一个与浓度无关的常量,c代表溶液浓度
I I 0e Acl
这是吸收光谱仪分析的原理
四、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。 下图为纳蒸汽的吸收光谱
如棱镜的角色散率为
2sin A
D
2
dn
1 n2 sin 2 A d
要研究色散,重要的是找 dn在各波长区的2值,或者找出
的函n数形f式()
d
二、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。
bc 柯西方程: n a
2 4
经验公式,a、b、c为常数。
一般: n a b , dn 2b .
稀溶液的吸收系数与溶液浓度有关aca是一个与浓度无关的常量c代表溶液浓度这是吸收光谱仪分析的原理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
第六章 光的吸收、散射和色散
6.1 光的吸收 6.2 光的散射 6.3 光的色散
主要内容
6.1 光的吸收
一、一般吸收和选择吸收
2 d
3
色散曲线的特点:
①波长越短,折射率越大;
②波长越短, dd越n 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, d也n 越大
;
d
④不同物质的色散曲线没
有简单的相似关系.
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。“ 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。
第六章 光的吸收、散射和色散
二,正常色散和反常色散
正常色散区域—遵循科希色散公式, 正常色散区域 遵循科希色散公式, 遵循科希色散公式 dn <0 一般吸收区域) (一般吸收区域) dλ 反常色散区域—不遵循科希色散公式 反常色散区域 不遵循科希色散公式, dn >0 选择吸收区域) (选择吸收区域) dλ
n λ λ
I
反常区
6.3
光的散射
一,非均匀介质中的散射
光的散射——光束通过光学性质不均匀的物质时, 光束通过光学性质不均匀的物质时, 光的散射 光束通过光学性质不均匀的物质时 向侧向传播的现象. 向侧向传播的现象. 原传播方向上的光强: 原传播方向上的光强:
I = I 0e (α +α )l = I 0e α l
a s
αa——吸收系数, 吸收系数, 吸收系数
微粒散射
αs——散射系数 散射系数
分子散射 物质分子不规则聚集
折射率不同,无规则排列, 折射率不同,无规则排列, 尺度小于波长, 尺度小于波长,彼此间距离 大于波长. 大于波长.
二,散射和反射,漫射和衍射现象的区别 散射和反射,
反射——理想界面,物体线度远大于波长. 理想界面,物体线度远大于波长. 反射 理想界面 漫射——非理想界面,可看成许多无规小镜面, 非理想界面,可看成许多无规小镜面, 漫射 非理想界面 向各方向反射. 向各方向反射. 衍射——个别不均匀区域造成的,线度可与光的 衍射 个别不均匀区域造成的, 个别不均匀区域造成的 波长相比拟. 波长相比拟. 散射——大量,无规则排列,不均匀小区域集合造成的, 大量,无规则排列,不均匀小区域集合造成的, 散射 大量 线度可比光的波长小, 线度可比光的波长小,且小区域间发生不相干 叠加. 叠加.
光的吸收、散射和色散
第十章 光的吸收、散射和色散光作为一种电磁波,在通过介质时,会与介质分子发生相互作用,其传播情况会发生变化。
这种变化主要体现在两个方面。
一方面,光束进入介质越深,其强度将越被削减得严重。
这是由于有一部分光能被介质所吸收,转化为其它形式的能量。
例如:热能。
还有一部分光能向各不同的方向散开,而产生散射。
另一方面,光在介质中的传播速度,小于真空中的波速。
并且不同波长的光波在介质中有不同的传播速度。
即:介质对不同波长的光有不同的折射率。
因此,当一束复色光以一定的入射角投射到介质表面时,不同波长的光,就会按不同的折射角散开,这就是光的色散。
光的吸收,散射和色散是普遍存在的,同属于光与介质的相互作用。
以下我们简单地讨论一下这些现象的物理实质,并扼要介绍一下这些现象的一些实际应用。
§10-1 光的吸收光的吸收现象是普遍存在的。
除真空以外,没有任何一种介质对于所有波长的光波是完全透明的。
即每一种介质,对于任何一波段的电磁波或多或少存在着一定的吸收。
例如大家所熟悉的石英,它对可见光波段的电磁波吸收甚微,而对3.5微米到5.0微米波段的红外光却有着强烈的吸收。
由此可见,吸收是物质所具有的普遍性质。
但实际中存在着两种不同形式的吸收。
一种被称之为一般吸收(General Absorption),而另一种则被称之为选择吸收(Se —lective Absorption)。
任何介质对光的吸收都是由这两部分所构成。
一、一般吸收光波在通过介质时,光波的电矢量使物质分子中的带电基团做受迫振动,光的部分能量就用来供给分子作这种振动所需要的能量。
以后分子可能通过碰撞,将振动能量转化为其它分子的平动能。
使分子的热运动加剧。
在此情况下部分光能消失,而转化为介质发热,这就是从能量角度来看介质的一般吸收。
一般吸收的特点是:吸收量较小,并且吸收系数在一定的波长范围内是不变的。
吸收量的多少仅与介质层的厚薄有关。
实验表明,一束强度为I 0平行光,穿过厚度为x 的介质层,在介质中,经过薄层dx 后,若强度从I 减少到I-dI ,则dI/I=-αdx (10-1)其中:a 为介质的吸收系数。
光的吸收、色散和散射-PPT精品文档
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共同特性:在相邻两个吸收线(带)间n单调下降,每经过 一个吸收线 (带)n急剧加大,曲线随波长的增加而抬高, 即正常色散区域所满足的 Cauchy 公式常量 A 加大;对于 极短波,n略小于1。
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正常色散: 在可见光范围内无 色透明的物质,色散曲线 很相似: 1. n 随 的增加 而单调下降;2. 下降率在 短波一端更大。这样的色 散称为正常色散。 1836年,Cauchy给出经验公式(柯西公式):
B B C )A 2 n f( ) A 2 4 n f (
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光的吸收、散射、色散
特性(频率、波长、振动方向等),按照自己的传播
方向继续前进。
叠加原理也是介质对光波的线性响应的一种反映。
2.1 两个同频率、同振动方向单色光波的叠加和干涉 一、代数加法: 设两个频率相同、振动方向相同的单色光波 分别发自光源S1和S2,在空间某点P相遇,P到S1和 S2的距离分别为r1和r2。 则两光波各自在P点产生的光振动可以写为
I1 I 2 2 I1 I 2 cos
I E E I1 I 2 2 I1 I 2 cos
式中
I1 a , I 2 a2
2 1
2
2 1
讨论
在P点叠加的合振动的光强I取决于两光波在叠加点的相位差。
对于I1 I 2 I 0
2m
(λ=0.72μm)为紫光波长(λ=0.4μm)的1.8倍, 因此紫光散射强度约
为红光的 (1.8)4≈10 倍。所以,太阳散射光在大气层内层,蓝色 的成分比红色多,使天空呈蔚蓝色。另外,为什么正午的太阳
基本上呈白色,而旭日和夕阳却呈红色 ? 正午太阳直射,穿过
大气层厚度最小,阳光中被散射掉的短波成分不太多,因此垂 直透过大气层后的太阳光基本上呈白色或略带黄橙色。早晚的
E1 a1 exp[i (kr1 t )] E2 a2 exp[i (kr2 t )]
两列波交叠区域任意一点p的合振动?
根据叠加原理,P点的合振动为
E E1 E2 a1 exp[i (1 t )] a2 exp[i (2 t )]
式中 1 kr1 ,
光强为
2 kr2
I E E a1 exp[i (1 t )] a2 exp[i (2 t )]
光的吸收散射和色散-清华大学出版社
光的吸收散射和⾊散-清华⼤学出版社光的吸收光通过介质时,⼀部分能量被介质吸收⽽转化为热能或者内能,并且深⼊介质越深,强度就衰减越⼤,这就是介质对光的吸收现象三介质的不均匀性还会导致光的传播偏离原来的⽅向,分散到各个⽅向,这就是光的散射现象三光的散射也会造成光强随传播距离的增加⽽衰减三另外,光在介质中的传播速度⼀般要⼩于在真空中的传播速度,并且介质中的光速与光的频率或者波长有关,即介质对不同折射率的光有不同的折射率,这就是光的⾊散现象三光的吸收⼆散射和⾊散是由光与物质的相互作⽤引起的,它们是不同物质的光学性质的主要表现,属于分⼦光学的研究内容三严格地讲,光与物质的相互作⽤应当⽤量⼦理论去解释,但是把光与物质的相互作⽤看成是组成物质的原⼦或者分⼦受到光波场的作⽤,并得到⼀些结论,仍然很有意义三本章着重于对光与物质相互作⽤时发⽣的现象进⾏描述和介绍三5.1光与物质相互作⽤的经典理论光通过介质时,介质中的电⼦⼆离⼦或者分⼦中的电荷在⼊射电⽮量的作⽤下做受迫振动三这是光与物质相互作⽤的机理,应该⽤量⼦理论来分析,但是,⽤经典电偶极⼦模型也可以简单地说明光与物质相互作⽤的许多光学现象三可以⽤谐振⼦,即电偶极⼦来代替实际物质的分⼦,把分⼦看作简谐振动的电偶极⼦是⼀个理想模型三电偶极⼦由两个带电量相等⼆符号相反的点电荷组成三物质可以认为是由⽆极分⼦或者有极分⼦组成,在外电场的作⽤下,⽆极分⼦的正负电荷中⼼发⽣偏移,对外显⽰电性;同样电偶极⼦在外电场的作⽤下,发⽣趋向变化,对外也显⽰电性三为简单起见,假设在均匀介质中,只有⼀种分⼦,并且不考虑分⼦间的相互作⽤,每个分⼦内只有⼀个电⼦做受迫振动三电偶极⼦的电偶极矩p为p=-e r其中,e是电⼦的电荷;r是电⼦在光波场的作⽤下离开平衡位置的位移三如果单位体积中有N个分⼦,则单位体积内的平均电偶极矩为P=N p=-N e r根据⽜顿定律,作受迫振动的电⼦的运动⽅程为162md 2r d t 2=-e E -f r -g d r d t (5-1)其中,等号右侧的三项为电⼦受到的⼊射场的强迫⼒⼆准弹性⼒和阻尼⼒;f 是弹性系数;g 是阻尼系数;E 是⼊射光的电⽮量⼤⼩三E =E ~(z )e x p (-i ωt )引⼊衰减系数γ=g /m ⼆电⼦的振动频率ω0=f /m 后,式(5-1)变为m d 2r d t 2+γd r d t +ω20r =-e E m (5-2)根据这个⽅程,可以得到电⼦在光作⽤下的位移,从⽽求出极化强度并进⼀步描述光的吸收⼆⾊散和散射特性三设p =e z ,z =A c o s ωt ,在电动⼒学中,可以证明球坐标系下电偶极⼦辐射的电场和磁场⽮量波动的表达式分别为E =e A 4πε0c 2R ω2s i n θc o s ω(t -R /c )(5-3)H =E /η0, η0=µ0ε0对应的能量流密度的平均值,即光强为S =E ?H =µ0e 2A 232πc R 2ω4s i n 2θ(5-4)由式(5-3)可知,光在半径为R 的球⾯上各点的相位都相等,但是振幅随θ改变,并且,由式(5-4)可以看出,电磁辐射的能量流密度在同⼀波⾯上不均匀三因为原⼦或者分⼦线度的数量级为10-8c m ,⽽可见光的波长的数量级在10-5c m ,所以,在均匀的介质中,可以认为在光的⼀个波长范围内,分⼦⾮常密集,并且排列⾮常有规律三光通过介质时,分⼦将做受迫振动三由于分⼦的线度很⼩,⼊射光到达各个分⼦的相位差可以忽略不计三做受迫振动的分⼦将依次发出次级电磁波,这些次级电磁波彼此之间都保持⼀定的相位关系三当光通过各向同性的均匀介质时,所有分⼦振⼦在各个⽅向都具有相同的固有频率,它们发出的电磁波将与⼊射波叠加,其中使得沿⼊射⽅向的合成波得到加强,⽽其他⽅向上的合成波相消,从⽽改变了合成波的相位,并改变了光的传播速度三图5-1 光的反射和折射的微观解释反射和折射是由两种介质界⾯上分⼦性质的不连续性⽽引起的三如图5-1(a )所⽰,以布儒斯特⾓⼊射的情况下,令E 1和E 2分别表⽰⼊射光和折射光的电⽮量振动⽅向三图5-1(b )表⽰在折射率为n 2的介质中,⼀个分⼦电偶极⼦在电场E 2的作⽤下,沿着平⾏于E 2的z 轴⽅向做受迫振动发出的次波三当反射光垂直于折射光的⽅向时,反射光⽅向恰好和z 轴平⾏,此时在这个⽅向上没有次波,就没有反射光三如果⼊射⾓不等于布儒斯特⾓,也就是z 轴不平⾏于反射光,则反射光就可以⽤式(5-4)确定三事实上,要考虑所有分⼦发出的次波在该⽅向上的叠加,情况要复杂得多三1635.2 光的吸收任何介质,对各种波长的电磁波能量都会或多或少地吸收三完全没有吸收的绝对透明介质是不存在的三当光通过介质时,其强度随介质的厚度增加⽽减少的现象,称为介质对光的吸收三所谓透明是指介质对某些波长范围的电磁波来说,其吸收很少三吸收光辐射或光能量是物质具有的普遍性质三例如⽯英,对可见光⼏乎都是透明的,⽽对红外光却是不透明的三这说明⽯英对可见光吸收甚微,⽽对红外光有着强烈的吸收三5.2.1 光的吸收规律1.光的吸收定律光通过介质时,电⽮量迫使介质中的粒⼦做受迫振动三因此,光的⼀部分能量转化为粒⼦受迫振动的能量;另⼀部分能量转化为由于分⼦之间的碰撞所需要的能量,即热能三如图5-2所⽰,令强度为I 0的平⾏光束沿x ⽅向通过均匀介质三平⾏光束在均匀介质中通过距离x 后,强度减弱为I ;再经过厚度d x 时强度由I 变为I +d I 三朗伯(L a m b d e t)于图5-2 光的吸收1760年指出,d I /I 应与吸收层的厚度d x 成正⽐,即d I /I =-αad x (5-5)式中,αa 是与光强⽆关的⽐例系数,称为该物质的吸收系数三右边的负号表⽰x 增加(d x >0)时,I 减弱(d I <0)三对式(5-5)积分,并考虑到αa 是常数,有?I I 0d I I =-αa ? l 0d x 或l n I -l n I 0=-αa l 由此得I =I 0e -αa l (5-6)式中,I 0和I 分别表⽰x =0和x =l 处的光强,式(5-6)为朗伯定律的数学表达式三光的强度随着进⼊介质的深度⽽呈指数衰减三这说明,介质越厚光强的衰减越严重三各种物质的吸收系数αa 差别很⼤,例如在同⼀个⼤⽓压下,空⽓的αa =10-5c m -1,玻璃的αa =10-2c m -1,⾦属的αa =10-6c m -1三实验表明,当光通过透明溶液时,吸收系数与溶液的浓度C 成正⽐,即αa =A C 式中,A 是只与吸收物质的分⼦特性有关,⽽与浓度⽆关的常数三这时式(5-6)可写为I =I 0e -A c l (5-7) 在浓度不太⼤时,式(5-7)与实际测量值很相符三在这种情况下,可以根据式(5-7)判断溶液的浓度三该定律⼜称为⽐尔定律三可以根据⽐尔定律,由光在溶液中的吸收程度,来决定溶液的浓度,这就是吸收光谱分析的原理三应该指出,⽐尔定律只对线性介质⼴泛成⽴,适⽤于分析低浓度溶液的光吸收情况,此时分⼦的吸收与分⼦的相互作⽤⽆关三许多情况下,分⼦的吸收与浓度有关,所以对弱电解质溶液⼆燃料的⽔溶液等,都存在偏离⽐尔定律的情况三1642.⼀般吸收与选择吸收若某种介质对各种波长λ的光能⼏乎均匀吸收,即吸收系数αa与波长λ⽆关,则称为⼀般吸收;若介质对某些波长的光的吸收特别显著,则称为选择吸收三例如,⽯英对可见光表现为⼀般吸收;对35~50µm的红外光却是强烈的选择吸收三如果不限制在可见光范围之内,⽽改在⼴阔的电磁波谱范围内,仅有⼀般吸收的介质并不存在三⼀切介质都具有⼀般吸收和选择吸收两种特性三选择吸收是物体呈现颜⾊的主要原因三⼀些物体的颜⾊,是由于某些波长的光透⼊其内⼀定距离后被吸收掉⽽引起的三例如,⽔能透⼊红光,并逐渐吸收掉,因⽽⽔⾯没有对红光的反射,只反射蓝绿光,并让蓝绿光透过相当的深度,所以⽔呈现蓝绿⾊三另⼀些物体如⾦属的颜⾊,则是由于它的表⾯对某些波长的光进⾏强烈的反射⽽引起的三例如,被黄⾦反射的光呈黄⾊,⽽透射的光呈绿⾊三不具有选择吸收的表⾯所反射的光呈⽩⾊三5.2.2吸收光谱具有连续光谱的⽩光,通过吸收介质后,不同波长的光被介质吸收的程度是不同的三将透射光通过分光仪进⾏分析,形成某种介质的吸收光谱三图5-3即为钠蒸⽓的吸收光谱三图5-3钠蒸⽓的吸收光谱具有连续光谱的⽩光通过稀薄的钠蒸⽓后,观察该透射光的光谱结构,会发现在强光背景中存在⼏条很窄的暗线三这些暗线的形成是由于钠原⼦中的电⼦在能级跃迁时对光波有选择性吸收的缘故三⽓压增⾼时,吸收谱线变宽⼆变模糊三这是由于⽓体原⼦间距离减⼩,彼此间的相互作⽤增强,影响了固有频率的缘故三⽓压⾜够⾼时,变成有⼀定宽度的吸收带,液体和固体的吸收区域相当宽,也是由于这个原因三夫琅⽲费在分析太阳光谱过程中,发现连续光谱的背景上呈现出⼀条条暗线三如图5-4所⽰,分别以字母A,B,C, 来标志,称为夫琅⽲费谱线三这是由于太阳四周的⼤⽓选择地吸收太阳内部的连续辐射所造成的三分析太阳的吸收光谱,可得出太阳周围⼤⽓的分⼦组成成分三吸收光谱的研究普遍应⽤于化学⼆国防⼆⽓象等部门,例如,极少量混合物或化合物中原⼦含量的变化,会在光谱中反映出吸收系数的很⼤变化三所以在定量分析中,⼴泛地应⽤原⼦吸收光谱三地球⼤⽓对可见光⼆紫外光是很透明的,但对红外光的某些波段有吸收,⽽对其余⼀些红外波段则⽐较透明三透明度⾼的波段,称为⼤⽓窗⼝三在1~15µm之间有7个窗⼝三研究⼤⽓情况的变化与窗⼝的关系,对红外遥感⼆红外导航和红外跟踪等技术的发展有很⼤作⽤三此外,⼤⽓中主要的吸收⽓体为⽔蒸⽓⼆⼆氧化碳和臭氧,研究其含量变化,能为⽓象预报提供必要的依据三165图5-4夫琅⽲费谱线不同分⼦有显著不同的红外吸收光谱,即使是分⼦量相同⼆其他物理化学性质也都相同的同质异构体,吸收光谱也明显不同三因此光谱分析也⼴泛⽤于化学研究及⼯业⽣产上三例如,从固体和液体分⼦的红外吸收光谱中,了解分⼦的振动频率,有助于分析分⼦结构和分⼦⼒等问题三5.3光的散射5.3.1散射的特点光线通过均匀的介质或两种折射率不同的均匀介质的界⾯,产⽣光的直射⼆折射或反射等现象三这仅限于给定的⼀些⽅向上能看到光线,⽽其余⽅向则看不到光线三当光线通过不均匀介质(例如空⽓中含有尘埃)时,可以从侧⾯清晰地看到光线的轨迹,这种现象称为光的散射三这是由于介质的光学性质不均匀,使光线向四⾯⼋⽅散射的结果三散射使原来传播⽅向上的光强减弱,并遵循如下指数规律I=I0e x p[-(αa+αs)l]=I0e-αl(5-8)式中,αa是吸收系数,是⼀般吸收部分;αs是散射系数,两者之和α称为衰减系数三如上所述,光在均匀介质中,只能沿直射⼆反射和折射光线⽅向传播,不可能有散射三这是因为当光通过均匀介质时,介质中的偶极⼦发出的频率与⼊射光的频率相同,并且偶极⼦之间有⼀定的相位关系,因⽽它们是相⼲光三理论上可以证明,只要介质密度是均匀的,这些次波相⼲叠加的结果,只剩下遵从⼏何光学规律的光线,沿其余⽅向的光则完全抵消三因此,均匀介质不能产⽣散射光三为了能产⽣散射光,必须有能够破坏次波⼲涉的不均匀结构三按不均匀结构的性质和散射粒⼦的⼤⼩,散射分为三⼤类:细粒散射⼆⽶⽒散射⼆瑞利散射三散射中⼼的尺度远⼤于⼊射光波波长的散射,称为细粒散射或廷德尔(T y n d a l l)散射三如胶体⼆乳浊液⼆含有烟雾灰尘的⼤⽓中的散射属于此类三散射中⼼的尺度和⼊射光波波长可以相⽐拟的散射,称为⽶⽒散射三散射中⼼的尺度⼩于⼊射光波波长时的散射,称为瑞利散射三物质分⼦密度的涨落也能引起散射三例如,⼗分纯净的液体或⽓体产⽣的散射是由于物质分⼦密度的涨落⽽引起的,这种散射称为分⼦散射三再例如,⼤⽓中的⽓体分⼦散射太阳光,使天穹呈蔚蓝⾊三分⼦散射可以由瑞利散射理论解释三根据介质的均匀性,光与介质之间的作⽤可以有以下三种情况三(1)若介质均匀,且不考虑其热起伏,光通过介质后,不发⽣任何变化,沿原光波传播⽅向⾏进,与介质不发⽣任何作⽤三(2)若介质不很均匀(存在某种起伏),光波与其作⽤后被散射到其他⽅向三只要该起伏与时间⽆关,散射光的频率就不发⽣变化,只是沿⽮量⽅向的偏折,这就是弹性散射三166(3)若介质的不均匀性随时间变化,光波与这些起伏交换能量,使得散射光的能量,即频率发⽣了变化,这就是⾮弹性散射三5.3.2瑞利散射瑞利散射的理论,⾸先是由瑞利(L o r dR a y l e i g h)在1871年提出来的三这个理论也可以解释分⼦散射现象三瑞利认为由于分⼦的热运动破坏了分⼦间的相对位置,次波源的分布成为⽆序的,使分⼦所发出的次波到达观察点没有稳定的光程差,不再相⼲,因⽽产⽣了散射光三计算散射光强度时,直接把每⼀个次波的强度叠加起来就可以了三根据电磁波理论,光进⼊介质后,将使介质的电⼦受迫振动,产⽣次波,这些次波向各⽅散射,每个次波的振幅是和它的频率ω的平⽅或波长平⽅的倒数成正⽐三于是散射光强与波长的四次⽅成反⽐,即I?ω4?1/λ4(5-9)或I=f(λ)/λ4(5-10)式中,f(λ)是光源中强度按波长分布的函数,这就是瑞利散射定律三这种线度⼩于⼊射光波长的微粒对⼊射光的散射现象,称为瑞利散射三⽤以上的散射理论可以解释天穹为什么是蔚蓝⾊的,⽽早晨和傍晚为什么天空是红⾊的,以及云为什么是⽩⾊的等⾃然现象三⽩昼天空是亮的,是⼤⽓对太阳光散射的结果三如果没有⼤⽓,即使是⽩昼,⼈们仰观天空,将看到光辉夺⽬的太阳悬挂在漆⿊的背景中三这是宇航员在太空中观察到的事实三由于⼤⽓的散射,将阳光从各个⽅向射向观察者,才看到了光亮的天穹三按照瑞利定律,⽩光中的短波部分⽐长波部分的散射强烈得多三散射光中因短波成分多,因⽽天空呈现蔚蓝⾊三早晨和傍晚天空呈现红⾊,是由于⽩光中的短波部分在较厚的⼤⽓层中散射掉了,⽽剩下较多的长波部分三正午时,太阳光所穿过的⼤⽓层最薄,散射不多,故太阳仍成⽩⾊三⽩云是⼤⽓中的⽔蒸⽓,⽔蒸⽓的⽔滴线度对可见光波长来说是相当⼤的,因⽽不能⽤瑞利定律来解释,这就是云雾呈现⽩⾊的原因三5.3.3散射光的偏振状态⼀束平⾯偏振光,沿z轴正⽅向传到带电质点P处,平⾯偏振光振动⽅向为y轴三若质点P各向同性,则此质点将沿⼊射波电⽮量平⾏的⽅向作受迫振动,产⽣以P为中⼼的球⾯波三这就形成了各⽅向的散射光,并且各⽅向散射光的振幅垂直于散射光的传播⽅向三因此,各⽅向上的散射光都是平⾯偏振光三如图5-5所⽰,散射光强度在各个⽅向上是不相同的三对于图5-5(a)中的B点,散射光振幅等于A c o sθ,其光强等于A2c o s2θ三图5-5(b)表⽰的是散射光强在y z⾯内的分布三同理,研究x z平⾯可得,在此平⾯上各⽅向上散射光强度相同三如果⼊射光是⾃然光,在各个⽅向上的散射光中,只有沿⼊射光⽅向的光仍然是⾃然光,其余⽅向的散射光都是部分偏振光三⾃然光沿z轴⼊射到P点三在质点P散射三把⾃然光看成是两个互相垂直的振动的167图5-5 光的散射⽰意图合成,根据对平⾯偏振光散射的分析,质点P 同时参与两个⽅向的振动,并各⾃符合空间光强的分布三在图5-6中y z ⾯上,A 点只有平⾯偏振光,振动⽅向垂直y z ⾯;在x轴上也只图5-6 散射光的偏振有垂直于x z ⾯上的平⾯偏振光三观察图中Q 点,P Q 与z 轴夹⾓为θ,沿y 轴平⾏⽅向,其振幅为A ,光强为I 0=A 2三沿x 轴⽅向振动的⾃然光的分量不与P Q ⽅向垂直,取其垂直于P Q 的分量,振幅为A c o s θ,光强为I 0c o s 2θ三则Q 点的散射光强为两者之和,即I =I 0+I 0c o s 2θ=I 0(1+c o s 2θ) 任意⽅向上光的偏振度为P =I 极⼤-I 极⼩I 极⼤+I 极⼩=I 0-I 0c o s 2θI 0+I 0c o s 2θ=s i n 2θ1+c o s 2θ(5-11) 沿⼊射光的⽅向上,θ=0,P =0,散射光仍然是⾃然光三在垂直⼊射⽅向上θ=?π/2,P =1,散射光为平⾯偏振光三其余⽅向上散射光为部分偏振光三5.3.4 散射光的强度从各个⽅向观察到的散射光的强度,对于⼊射光的传播⽅向来说是对称的三如图5-7所⽰,设观察⽅向C O 与⼊射光⽅向x 的夹⾓为α,如果分⼦振动⽅向沿z 轴,则在分⼦间的图5-7 散射光的偏振相互作⽤可以忽略的情况下,由式(5-4)可得在C O ⽅向的次波强度为I z =µ0e 2A 232πc R 2ω4s i n 2θ=µ0e 2A 232πc R 2ω4c o s 2α=I 0c o s 2α式中,I 0为⼊射光的强度三如果分⼦振动沿y 轴,由于C O 在⾚道平⾯,则振动⽅向总是与C O 垂直,因此θ=π/2三在C O ⽅向的次波强度为I y =µ0e 2A 232πc R 2ω4s i n 2π2=I 0如果⼊射光是⾃然光,则从C O ⽅向观察到的散射光强度为I a =I z +I y =I0(1+c o s 2α)1685.3.5 分⼦散射在均匀介质中,物质结构引起的不均匀性线度与波长相⽐可以忽略,因此,光的散射应该不发⽣三但是,当除去⽓体或者液体中所有的尘埃和悬浮颗粒后,也可以通过某种⽅式观察到散射三这是由于分⼦在不停地做⽆轨运动,往往会引起密度涨落,进⼀步引起散射,这种散射称为分⼦散射三分⼦散射由物质分⼦密度的涨落引起三由于⼤⽓散射,晴朗的天空会呈现蓝⾊三⼤⽓散射⼀部分由悬浮的尘埃引起,⽽⼤部分是由分⼦散射引起的三例如,前⾯提到的⽇出⽇落时,太阳光线⼏乎平⾏于地平⾯三这时,较短的光被侧向散射,剩下红光,因此太阳呈红⾊,但仰望天空时仍为浅蓝⾊三当云块被太阳照射时,呈现红⾊(朝霞⼆晚霞)三在正午,⼤⽓层最薄,散射不多,故太阳呈⽩⾊三云由⼤⽓中的⽔滴组成,这些⽔滴的半径与可见光的波长可以相⽐拟,因⽽引起的散射不属于瑞利散射,⽽属于⽶⽒散射三⽶⽒散射是较⼤微粒引起的散射,微粒线度与波长可以相⽐拟三云雾的散射与波长关系不⼤,所以云雾呈⽩⾊三⽶⽒散射是⼈⼯降⾬的理论基础三⽶⽒散射可以解释城市天空的景象三微粒越⼤,散射越强,同时散射效果取决于波长三散射不仅在光谱的蓝⾊区域强烈,⽽且在绿⾊⼆黄⾊部分也很强烈,因为受到污染的空⽓散射了更多的蓝⾊⼆绿⾊和黄⾊成分,所以,通过受到污染的⼤⽓层后,太阳的强度会削弱很多,同时看上去更红⼀些,通过研究散射的性质,可以获得胶体溶液⼆浑浊介质和⾼分⼦物质的物理和化学性质,以及测定微粒的⼤⼩⼆悬浮微粒密度和运动速度等,还可以通过测定激光在⼤⽓中的散射来测量⼤⽓中悬浮微粒的密度和其他特性,以确定空⽓污染的情况三5.3.6 喇曼散射1928年印度的喇曼和苏联的曼杰利斯塔姆,⼏乎同时分别在研究液体和晶体内的散射时,发现散射光中除有与⼊射光频率ν0相同的瑞利散射线外,在瑞利线的两侧还有频率为ν0?ν1,ν0?ν2, 等散射线存在,这种散射现象称为喇曼散射三图5-8 四氯化碳的喇曼散射光谱图5-8是四氯化碳的喇曼散射光谱,仔细分析这些结果,发现有下⾯⼏点规律:(1)在每⼀条原始⼊射光谱线旁都伴有散射线.在原始光长波⽅⾯的散射线称红伴线或称斯托克斯线,在短波⽅⾯称紫伴线,⼜称反斯托克斯线三它们和原始光的频率差相同,只是反斯托克斯线出现得少⽽弱三(2)这些频率差的数值和⼊射光原始频率⽆关,即不同⼊射光所产⽣的散射光和⼊射光的频率差都相同三(3)每种散射介质有各⾃的⼀套频率差ω1,ω2,三其中有些和红外吸收的频率相等,169表明散射与分⼦振动频率有关三喇曼散射可以⽤经典理论解释三在⼊射光电场振动E=E0c o sωt的作⽤下,分⼦获得感应电偶极矩P,正⽐于场强E三P=χε0E(5-12)式中,χ称为分⼦极化率三如果分⼦极化率χ是⼀个与时间⽆关的常数,则P以频率ω0作周期性变化,这便是上⾯讨论过的瑞利散射三如果分⼦以固有频率ωj振动着,且此振动影响极化率χ,使它也以频率ωj作周期性变化三设χ=χ0+χj c o sωj t于是有P=χ0ε0E0c o sω0t+χjε0E0c o sω0t c o sωj t[]t(5-13) =χ0ε0E0c o sω0t+12χjε0E0c o s(ω0-ωj)t+c o s(ω0+ωj)即感应电偶极矩的变化频率有ω0和ω0?ωj三种,后两种正是喇曼光谱中的伴线三喇曼散射的经典理论是不完善的,特别是它不能解释为什么反斯托克斯线⽐斯托克斯线弱得多这⼀事实三完善的解释要靠量⼦理论三喇曼散射的⽅法为研究分⼦结构提供了⼀种重要的⼯具,⽤这种⽅法可以很容易⽽且迅速地测定出分⼦振动的固有频率,也可以⽤它来判断分⼦的对称性⼆分⼦内部的⼒的⼤⼩,以及有关分⼦动⼒学的⼀般性质三它已成为分⼦光谱学中红外吸收⽅法的⼀个重要补充三⾃激光这种强光光源问世以来,⼈们发现当强光作⽤物质时,还可出现受激喇曼散射等⾮线性效应三它已成为激光与物质相互作⽤研究领域的重要组成部分三5.4光的⾊散5.4.1⾊散的特点光在真空中是以恒定的速度传播的,与光的频率⽆关三当光通过任何介质时,光的速度就会发⽣变化三不同频率的光在同⼀介质中的传播速度不同,因此同⼀介质对不同频率的光的折射率并不同三⽜顿于1672年⽤三棱镜把⽇光分解为彩⾊光带,这是观测⾊散现象的最早实验三图5-9是⽜顿⽤正交棱镜法观察⽇光⾊散的实验⽰意图三图5-9⽜顿观测⾊散现象的三棱镜实验光的⾊散可以⽤⾓⾊散率D来表⽰170D =d θ/d λ(5-14) 对于不同的物质,⾊散率不同;不同波长的光,⾊散率也不同三在衍射图样中,可以根据⾊散率的不同,将光谱线分离开来三⾓⾊散率与折射率的关系为D =2s i n (A /2)1-n 2s i n 2(A /2)d n d λ(5-15)其中,A 为棱镜的折射⾓;n 为折射率三5.4.2 正常⾊散对于⼏种不同的光学材料,在可见光区域附近,可以测得它们的⾊散曲线,如图5-10所⽰三从⾊散曲线上可以看出,这些曲线的形状⼤致相同,各种介质的折射率n 和⾊散率d n /d λ都随波长的增⼤⽽减少三这种⾊散称为正常⾊散,⽤函数表⽰⾊散曲线为n =a +b λ2+c λ4(5-16) 这⼀经验公式称为柯希(C a u c h y ,1789 1857年)⽅程三式中a ⼆b 和c 均为正的常数,它们是由材料的性质决定的三图5-10 不同材料的⾊散曲线在⼤多数情况下,若精度要求不很⾼,波长变化的范围不⼤,只要取柯希公式的前两项就⾜够了,即n =a +b λ2(5-17)对式(5-17)求导数,得到材料的⾊散关系d n d λ=-2b λ3(5-18) 这表明⾊散率近似地与波长的三次⽅成反⽐,它说明了棱镜光谱是⾮均匀光谱三式中负号表⽰随着λ的变⼤⾊散率反⽽减⼩三⾊散曲线具有下列⼏个特点:(1)波长越短,折射率越⼤;171(2)波长越短,d n /d λ越⼤,因⽽⾓⾊散率也越⼤;(3)在波长⼀定时,不同物质的折射率越⼤,d n /d λ也越⼤;(4)不同物质的⾊散曲线没有简单的相似关系三5.4.3 反常⾊散勒鲁(L e R o u x )曾于1862年,⽤充满碘蒸⽓的三棱镜,观察⾊散现象三发现在选择吸收波段附近,紫光的折射率⽐红光的折射率⼩三此两者之间的其他波长的光⼏乎全被碘蒸⽓所吸收三它与正常⾊散现象相反,勒鲁称它为反常⾊散三这个名称⼀直沿⽤到今天三实际上,反常⾊散是所有物质在选择吸收波段附近产⽣的普遍现象三图5-11 反常⾊散曲线如果对⼀般物质(在可见光范围内是透明的)的折射率的测定扩展到红外光谱区域(只要物质仍是透明的),⾊散曲线也会显著地违反正常情况,表现出如图5-11所⽰的形状三在可见光区域(曲线的P 和Q 之间)表⽰n 的数值是和图5-11符合的三当波长增加时,在红外区域内(曲线的R 点),曲线下降开始变快,到达红外区域的某⼀波段时,光不能透过三这是⼀个选择吸收区域,它的位置取决于各种物质的特性,越过了吸收区域,到长波的⼀边,折射率数值突然增加到很⼤;当波长继续增加时,折射率起初降落得很快;当离开吸收区域渐远时,⼜渐渐降落得缓慢起来,从S 到T 的区域内,实验曲线⼜变为正常三后来⼈们发现任何物质在红外或紫外光谱中只要有选择吸收存在,在这些区域中总是表现出反常⾊散(普遍的孔脱定律)三也就是说, 反常⾊散实际上也是很普遍的, 反常并不反常,当波长在两个吸收带中间并且远离它们时,所谓正常⾊散才发⽣三反常⾊散和正常⾊散仅是历史上的名词,由于沿⽤已久,所以就⼀直保存了下来三除⽤光进⾏关于⾊散的观察外,⼈们还对于⽆线电微波区波长较长的波段(数量级10-1c m 以上)做了类似的测定,发现这⾥折射率⼏乎与波长⽆关三另⼀⽅⾯也对波长极短,通过对数量级为10-8c m 的伦琴射线实验表明,发现折射率略⼩于1三赛班恩(S i e g b a h n )曾⽤棱镜使伦琴射线折射,发现折射线通过棱镜后向离开棱镜底⾯的⽅向偏折,这正是波在棱图5-12 ⾊散曲线的特点镜物质中的传播速度⽐真空中快的情况三也可⽤这样的实验来证明:伦琴射线以近乎90?的⼊射⾓(临界⾓很接近90?,因为它的折射率只⽐1⼩百分之⼏)从真空射到固体平⾯时,发⽣全反射三康普顿(C o m p t o n )曾利⽤这⼀特性把伦琴射线掠射到⼀个寻常的光栅上,在全反射光中形成衍射光谱,从⽽测定了它的波长三虽然各种物质的⾊散曲线不尽相同,但在整个电磁波谱的范围内,考察某种介质的全部⾊散曲线,如图5-12所⽰,会发现有⼀些共同的规律和特点:相邻两个吸收带(线)之间折射率n 单调下降;每经过⼀个吸收带(线)折射率n 急剧增⼤三总的说来,吸收带(线)之间的区域属于正常⾊散;⽽吸收带内则属于172反常⾊散三例题[例5-1] 玻璃的吸收系数为10-2c m -1,空⽓的吸收系数为10-5c m -1三求1c m 厚的玻璃所吸收的光,相当于多厚的空⽓所吸收的光?解:根据式(5-6),物质吸收的光强为I 0-I =I 0(1-e -αa l )强度相等的光通过不同厚度不同物质时,要产⽣相等的吸收所需的条件为1-e -αa l =1-e -α?a l ? 或αa l =α?al ?故l ?=αa l α?a =10-2?10-210-5=10(m )即1c m 厚的玻璃所吸收的光相当于10m 厚空⽓所吸收的光三[例5-2] ⼀块光学玻璃对波长400n m 和500n m 的光波的折射率分别为1.63和1.58,⽤此数据求波长为600n m 的光波的折射率及⾊散率(d n /d λ)三解:将已知波长和折射率分别代⼊科希公式n =a +b /λ2,得1.63=a +b /(400?10-9)21.58=a +b /(500?10-9)2联⽴求解,得a =1.49,b =2.22?10-14(m 2)将a ⼆b 值代⼊科希公式,即可求出该光学玻璃对波长600n m 的光波的折射率为n =1.49+2.22?10-14/(600?10-9)2=1.55⾊散率为d n /d λ=-2b /λ3=-2?2.22?10-14/(600?10-9)3=-2.06?1011(m -1) [例5-3] ⼀个长为35c m 的玻璃管,由于管内细微烟粒的散射作⽤,使得透射光强为⼊射光强的65%三当烟粒完全去除,则88%的光通过三设烟粒只有散射没有吸收,计算吸收系数和散射系数三解:同时考虑吸收和散射的作⽤时,根据式(5-8),透射光强为I =I 0e -(αa +αs )l 只考虑吸收效应时,则I =I 0。
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:P电偶极子,向外辐射电磁波t A Z eZ P cos :Z 离开原点的距离电动力学证明,电偶极子辐射电磁波矢 )(cos sin 4220c R t R e eA EcEH 0R :观察点与偶极子的距离201E cEH H E S 22242202sin 321CR A e E c I S o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CR 。
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I ,2最大(赤道面上)在两极即偶极子轴线方向上0 ,0 I Q 。
二、电偶极辐射对反射和折射现象的初步解释原子、分子:cm 810 光波长:cm 510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。
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Байду номын сангаас
光的散射
2.1 非均匀介质中散射的经典图象 2.2 散射和反射、漫射和衍射的区别 散射和反射、 2.3 瑞利散射 ——线度小于波长的微粒对光的散射
散射光
I∝ f (λ) λ- 4
散射光中短波占优势,能说明红光穿透薄雾的能力强。 2.4 分子散射 I∝λ- 4 更明显,可解释天空呈蓝色,早、晚太阳呈红色等现象。
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3.1 色散曲线特点
光的色散
3.1 正常色散和反常色散 d n / dλ< 0 —— 正常色散 d n / dλ> 0 —— 反常色散 反常色散区光被强烈吸收
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思考题: 思考题 1 玻璃透过蓝光和天空呈蓝色分别是光的什么现象? 2 电影放映机和电筒向夜空射出发射状光柱分别是光的什 么现象? 3 三棱镜分光是光的什么现象?
光的吸收、 光的吸收、散射和色散(简介)
• 光的吸收 • 光的散射 • 光的色散
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1.1 朗伯定律
光的吸收
dI = −αa d x I
αa—吸收系数
I ∫I 0
I0 o
I
I+dI
I
x
x+dx l
x
dI l = −αa ∫0 d x ⇒ I = I 0e−α al I
1.2 选择吸收
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