第六章 光的吸收、散射和色散

第七章 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 ωcos ==

: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

E -=ωθωπε c E H 0μ=

R ：观察点与偶极子的距离

201E c

EH H E S μ==⨯= θπωμμ2224

2202sin 321

CR 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C R 。但振幅则随θ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 ,2πθ=

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。

说明3：希儒斯特定律

一个分子电偶极在E 2的作用下，沿平行E 2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Z 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θ，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m m μμ0.55.3-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。

dx I dI a α-= a α：吸收系数，λ定a α不变。

⎰⎰-=I

I l a dx I

dI 0 0 α

ln ln ln ln 00l I I l

I I a a αα-=--=-

l a e I I α-=0 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：1510--≈cm a α

玻璃：1210--≈cm a α

Acl e I I -=0

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。

l l e I e I I s a ααα-+-==0)(0

:a α衰减系数

:s α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