第六章光的吸收、散射和色散教材
合集下载
光的吸收、色散和散射
棱镜P1和P2的棱边相互垂直，从S发出的白光经透镜L1变为平行光束，通过P1后 沿水平方向偏折，如果在光路中不放置棱镜P2，光束由P1经透镜L2后将在幕上 形成水平的彩色光带ab，插入棱镜P2时，各色光束还要向下偏折，但偏折程度 随波长而异，于是幕上显现倾斜的光带 a ′b′ ，如果制做棱镜P1和P2材料的色散规 律（即n与 λ 的依赖关系）不同，倾斜光带 a ′b′ 将是弯曲的，它的形状直观地反 映了两种材料色散性能的差异。 色散曲线——折射率n与波长 λ 的之间依赖关系曲线，称色散曲线。 凡在可见光范围内无色透明的物质，它们的色散曲线形式上很相似， 其间有许多的特点，如n随 λ 的增加而单调下降，且下降率在短波一端更大等 等。这种色散称为正常色散。 正常色散 1836年科希（A、L、Cauchy）给出一个正常色散的经验公式： n=A+B/ λ2 +C/ λ4 式中A、B、C是与物质无关的常数，其数值由实验数据确定。当 λ 变化范围不大
/software/net/wangke/jiaoan/chapter8.htm
5/10/2011
w
页码，2/14(W)
− dI =I dx
式中 α 是个与光强无关的比例系数，称为该物质的吸收系数。 为了求出光束穿过厚度为l的媒质后光强度的改变，将上式改写为
dI = −α dx I dI ∫ I =∫ I0 0 — α dx
∴ I= I 0
I l
两边取积分
e
−αl
式中 I 0 和I分别为X=0和X=L处的光强，L是媒质的厚度， α 的量纲是长度的倒 数。
α −1 的物理意义是光强因吸收而减到原来的 e − 1 ≈36%时所穿过媒质的厚度。
式I= I 0 e −αL 称为布格尔定律（P、Bouguer,1729年）此定律后来经朗伯作了详细 说明，故也称朗伯定律。 布格尔定律是光吸收的线性规律 适用范围：线性光学领域，光强I不能太强。 如果光强太强，如用激光，则光与物质的非线性相互作用过程显示出来了，在 非线性光学领域内，吸收系数 α 将和其它许多系数（如折射率）一样，依赖于 电、磁场或光的强度，布格尔定律不再成立。 实验证明： 当光被透明溶剂中溶解的物质所吸收时，吸收系数 α 与溶液的浓度C成正比
光的吸收、色散和散射_图文
一连续光谱的光通过有选择性吸收的介质，然后通过分光仪得到的光谱 就是吸收光谱 与 K(ω)-ω 线一致
§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
§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
I I0 (1 cos2 )
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。
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。
第六章光的色散吸收散射瑞利散射米氏散射光偏振性
米氏散射和瑞利散射的规律不同，它产生的散射与波长的 关系不大，几乎所有波长的光都含有，所以看起来是白色光。 也是是否看到蓝天白云的根本原因。也是人工降雨的理论基础。
8
黄山风景山中的雾气实际上是悬浮在空气中的小液滴，是 一种很理想的散射源。由于液滴的尺寸比光波波长大得多，主 要是米氏散射，散射光呈白色。
10
一幢大楼晚上楼顶上的几束强光刺破夜空，能看到这几 道光束，就是散射的作用。如果城市上空的空气不干净，悬 浮尘埃越多，散射就越强，光束就会显得很亮。反之，光束 就会显得很淡。如果晚上基本上看不到这几道光束了，也许 白天城市就会有蓝色的天空了。 思考：如果没有空气，天空又会是什么样的呢？
11
4 散射光的偏振性
4
3 瑞利散射
把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射， 称为瑞利散射（Rayleigh scattering）。 瑞利散射不改变原入射光的频率。 1 I散 4
瑞利散射时，由于蓝光波长较短，其散射强度就比波长 较长的红光强，因此散射光中蓝光的成份较多。
5
注意画面上的香火形成的烟雾呈现出一种浅蓝色这是由于 组成烟雾的碳粒子线度非常小，由这些烟雾产生的散射光符合 瑞利散射的条件，因此散射光中的蓝光成份比红光成份强得多。 我们平时所说的“袅袅青烟。”说是就是这种瑞利散射所产生 的现象。
§6.3 光的散射 问：天空为什么是蓝的？旭日和夕阳为什么是红 的，而中午的太阳看起来又是白的？云为什么是 白的？如果没有空气，天空又会是什么样的呢？
1 光的散射现象
当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光 的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都 可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散 射的结果，这种现象称为光的散射。 例如，当一束太阳光从窗外射进室内时，我们从侧面 可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散 射的缘故。
《光学教程》(姚启钧)第六章 光的吸收、散射和色散
2 朗伯定律
如图6-1所示，光强为I0的单色平行光束沿x轴 方向通过均匀物质，在经过一段距离x后光强 已减弱到I，再通过一无限薄层dx后光强变为 I +dI （dI<0）。实验表明，在相当宽的光 强度范围内，-dI相当精确地正比于I和dx， 即
光的吸收
I dx I+dI
x
x+d lx
dI a Idx
从广阔的电磁波谱来考虑，一般吸收的媒质是不 存在的，在可见光范围内一般吸收的物质，往往在 红外和紫外波段内进行选择吸收，故而选择吸收是 光和物质相互作用的普遍规律，以空气为例，地球 大气对可见光和波长在3000埃以上的紫外是透明的， 波长短于3000埃紫外线将被空气中的臭氧强烈吸收， 对于红外辐射，大气只在某些狭窄的波段内是透明 的。这些透明的波段称为“大气窗口”。 这里的主要吸收气体是水蒸汽，所以大气的红外窗 口与气象条件有密切关系。 制作分光仪器中棱镜、透镜的材料必须对所研 究的波长范围的透明的，由于选择吸收，任何光学 材料在此外和红外端都有一定的透光极限。紫外光 谱仪中的棱镜需用石英制作，红外光仪中的棱镜则 常岩盐或CaF2、LiF等晶体制成。
6.4 光的色散
1 色散的特点
在真空中，光以恒定的速度传播，与光的频率无 关。然而，在通过任何物质时，光的传播速度要发 生变化，而且不同频率的光在同物质中的传播速度 也不同，这一事实在折射现象中最明显地反映了了 出来，即物质的折射率与光的频率有关，折射率n取 决于真空中光速c和物质中光速u之比，即 n=c/u 这种光在介质中的传播速度（或介质的折射率） 随其频率（或波长）而变化的现象，称为光的色散 现象。1672年牛顿首先利用棱镜的色散现象，把日 光分解成了彩色光带。
n a b
第六章 光的吸收、散射和色散
第6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。
（ 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。
光的吸收、色散和散射
※ 组成物质的原子或分子内的带电粒子（电子或离子）被准弹性力保 持在它的平衡位置并且有一定的固有振动频率
※ 在入射光作用下，原子或分子发生极化，并以入射光频率作受迫振 动，形成振动的电偶极子，从而发出次波
※ 在均匀介质中，这些次波叠加的结果使光只在折射方向继续传播下 去，而在其它方向上次波的干涉而相互抵消，没有出现光
或 dn
d
（6-21） （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
正常色散可以用科希（Canchy）公式来描写
n
A
B
2
C
4
（6-23）
通过三个波长实验测量3个n ---即可得A，B，C三个常数
对于波长间隔不太大时，可只取前两项：
n
A
B
2
（6-24）
dn
d
2B
3
（6-8） （6-9）
折射率 n 为复折射率
n2
r
1
1
Ne2
0m
1
02 2
i
同理 n 可写为
n n i
n2 n2 2 i2n
将（6-11）与（6-10）相对照，可得
n2 2 1 Ne2
0m
02 2 02 2 2 22
2n Ne2
0m
02 2 2 22
光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向而向四周散射的现象
散射分类： 1、k变化，波长不变
廷德尔散射 分子散射
瑞利散射，米氏散射
2、 k变化，波长也变化
Raman散射 Brillouin散射
廷德尔散射：液体、气体中悬浮粒子（包括尘埃）、大气中气溶胶、 烟雾等产生的散射
瑞利散射：颗粒大小< 1
※ 在入射光作用下，原子或分子发生极化，并以入射光频率作受迫振 动，形成振动的电偶极子，从而发出次波
※ 在均匀介质中，这些次波叠加的结果使光只在折射方向继续传播下 去，而在其它方向上次波的干涉而相互抵消，没有出现光
或 dn
d
（6-21） （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
正常色散可以用科希（Canchy）公式来描写
n
A
B
2
C
4
（6-23）
通过三个波长实验测量3个n ---即可得A，B，C三个常数
对于波长间隔不太大时，可只取前两项：
n
A
B
2
（6-24）
dn
d
2B
3
（6-8） （6-9）
折射率 n 为复折射率
n2
r
1
1
Ne2
0m
1
02 2
i
同理 n 可写为
n n i
n2 n2 2 i2n
将（6-11）与（6-10）相对照，可得
n2 2 1 Ne2
0m
02 2 02 2 2 22
2n Ne2
0m
02 2 2 22
光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向而向四周散射的现象
散射分类： 1、k变化，波长不变
廷德尔散射 分子散射
瑞利散射，米氏散射
2、 k变化，波长也变化
Raman散射 Brillouin散射
廷德尔散射：液体、气体中悬浮粒子（包括尘埃）、大气中气溶胶、 烟雾等产生的散射
瑞利散射：颗粒大小< 1
光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light )
p er
(1)
e 是电子电荷，r 是电子离开平衡位置的距离。
1．经典理论的基本方程
如果单位体积中有 N 个分子，则单位体积中的平均
电偶极矩为
P Np Ner
(2)
1．经典理论的基本方程
根据牛顿定律，作强迫振动的电子的运动方程为
d2r dr m 2 eE fr g dt dt
出本教材的要求, 不予讨论。
光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light )
麦克斯韦电磁理论的最重要成就之一就是将电磁现
象与光现象联系起来，利用这个理论正确地说明了
光在介质中传播时的许多重要性质。
1 光与介质相互作用的经典理论 (Classical theory of
1．经典理论的基本方程 在入射光的作用下，介质发生极化、带电粒子依入 射光频率作强迫振动。
1．经典理论的基本方程
由于带正电荷的原子核质量比电子大许多倍,可视正 电荷中心不动,而负电荷相对于正电荷作振动。正, 负电荷电量的绝对值相同，构成了一个电偶极子。
1．经典理论的基本方程
电偶极矩为
P qr
2．介质的光学特性
是复数，可表示为 ＝＋i，其实部和虚部分
别为
02 2 Ne2 0 m (02 2 )2 + 2 2
Ne 2 0 m (02 2 )2 + 2 2
(8)
(9)
02 2 Ne2 0 m (02 2 )2 + 2 2
因介质对光波的吸收, 会使光强度减弱;不同波长的 光在介质中传播速度不同, 并按不同的折射角散开， 会发生光的色散; 光在介质中传播时, 会产生散射。
光的吸收、散射和色散(标准版)ppt资料
描述正常色散时 n 与 关系的经验公式为科希方程：
n a b c
2 4
a、b、c为由介质特性决定的常数，由实验得出。
当波长变化范围不大时，科希方程可取近似形式：
n
a
b
2
dn
d
2b
3
由上两式可得： , n ; dn , D ,与正常色散曲线、光谱的
特点相பைடு நூலகம்合。
d
2 反常色散：
在某些波段会出现，波长变大时折射率值增大的现象，这 称为反常色散。
2 散设射观光察的方称光向散强与射I正系: 常数传，I 0播出e方射 向光 之仍间为的自l 夹然角光I为。0 e，l散射光强为： 3注3特实密 物用24的物切 物实发实散热切2实实解设物1···、、、413意点验度质光质相质验生验射能相验验释光质途短 随分， ： 表 的 具 的 关的 表 于 中 光 。 关 中 中 ： 通 的起 ：分散色波着子观波明色有色， 色明表通的，通用用过色伏 物子射散段波散察长：散不散即 散：面过光即过正经厚散破 质散类类的长射面散特同特在 特散看测强在测交典度特坏 的射型型角值为射性的性发 性射来定发定棱电为性了 定:及色的变光可折可生 可光均不生不镜磁可d介 量X方散变大x-中用射用物 用中匀同物同观理用的质 分O程率大时各角率角质 角各纯波质波察论角介-的析Z比，，s种色值色的色种净长的长法中色质平均 ；长折折波散的散选 散波的的选的测的散层面匀波射射长率现率择 率长介光择光量振率时，性段率率的象吸 的质对吸对色子DDDD，参而的值值描描描描能。收 能中应收应散模见导大减述述述述n量波 量。的波的曲型图致（小变：：：：不段 不段线解6。可。小-是附 是附，释00-8比，，，均近 均近参：。较角得得匀出 匀出见光色a出出、分现 分现图能散nnc布反 布反6～～）率－的常 的常。D1，色 ，色2变关关。振短散 短散小系系动。 。。，，能
6 第六次课、光的色散_吸收和散射
第六次课、光的色散、吸收和散射
内容
一、色散的定义和观察 二、色散率 三、正常色散和反常色散 四、光的吸收 五、光的散射
1
一、色散的定义和观察
1、色散的定义
介质中的折射率 ( 或光速 ) 随光波波长 ( 或频率 ) 变化的现
象叫光的色散现象。 由理论分析，光的色散可以通过介质折射率的频率特性 描述：n=n(ω)
25
米氏(Mie)散射的主要特点
④、当散射粒子的线度与光波长相近时，散射光强度对于
光矢量振动平面的对称性被破坏，随着悬浮微粒线度的增
大，沿入射光方向的散射光强将大于逆入射光方向的散射 光强。 当微粒线度约为1/4波长时，散射光强角分布如图 (a)所示，此 时I(θ)在θ=0和θ=π处的差别尚不很明显。
26
当微粒线度继续增大时，如图 (b) 所示，在 θ=0 方向的 散射光强明显占优势，并产生一系列次极大值
27
10
1、朗伯(Lambert)光吸收定律
dI Kdl I
K为吸收系数，负号表示光强减少。
I=I0e-Kl
I0是l=0处的光强
朗伯定律或吸收定律。 实验证明，朗伯定律是相当精确的，并且也符合金属介质的 吸收规律。
11
吸收系数K愈大，光波吸收得愈强烈；
当l=1/K=le时，光强减少为原来的 1/e，称le为该介质对光的透
21
2、光散射的分类
亭达尔-瑞利散射
微粒线度 < λ/10
弹性散射：
米氏(Mie)散射
散射光波矢 k 变化， 微粒线度 ≥ λ 而波长不变。
光散射
分子散射
由微粒的密度起伏、取 向起伏、浓度起伏引起 非弹性散射： 散射光波矢 k 与波 长均发生变化。
内容
一、色散的定义和观察 二、色散率 三、正常色散和反常色散 四、光的吸收 五、光的散射
1
一、色散的定义和观察
1、色散的定义
介质中的折射率 ( 或光速 ) 随光波波长 ( 或频率 ) 变化的现
象叫光的色散现象。 由理论分析，光的色散可以通过介质折射率的频率特性 描述：n=n(ω)
25
米氏(Mie)散射的主要特点
④、当散射粒子的线度与光波长相近时，散射光强度对于
光矢量振动平面的对称性被破坏，随着悬浮微粒线度的增
大，沿入射光方向的散射光强将大于逆入射光方向的散射 光强。 当微粒线度约为1/4波长时，散射光强角分布如图 (a)所示，此 时I(θ)在θ=0和θ=π处的差别尚不很明显。
26
当微粒线度继续增大时，如图 (b) 所示，在 θ=0 方向的 散射光强明显占优势，并产生一系列次极大值
27
10
1、朗伯(Lambert)光吸收定律
dI Kdl I
K为吸收系数，负号表示光强减少。
I=I0e-Kl
I0是l=0处的光强
朗伯定律或吸收定律。 实验证明，朗伯定律是相当精确的，并且也符合金属介质的 吸收规律。
11
吸收系数K愈大，光波吸收得愈强烈；
当l=1/K=le时，光强减少为原来的 1/e，称le为该介质对光的透
21
2、光散射的分类
亭达尔-瑞利散射
微粒线度 < λ/10
弹性散射：
米氏(Mie)散射
散射光波矢 k 变化， 微粒线度 ≥ λ 而波长不变。
光散射
分子散射
由微粒的密度起伏、取 向起伏、浓度起伏引起 非弹性散射： 散射光波矢 k 与波 长均发生变化。
光学教程(姚启钧) 第6章 光的吸收散射和色散
15
3 吸收光谱
朗伯定律是吸收光谱的基本原理。入射的有连续波长分布的 光，透过物质后，在选择吸收区域，在有些波长范围被强烈 吸收，形成吸收光谱。 钠的吸收光谱
一般地讲，固体和液体选择吸收的波长范围较宽，称之 为吸收带；而稀薄气体选择吸收的波长范围很窄，表现 为吸收线。 反映原子、分子结构特征——原子光谱、红外光谱 大气窗口——空间遥感探测、气象等研究
第六章 光的吸收、散射和色散
6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释
6.2 光的吸收
6.3 光的散射
6.4 光的色散
*6.5
色散的经典理论
1
吸收 光的 散射 色散
三种现象都是光与物质的相互作用引起的， 是不同物质光学性质的主要表现，实质上是 由光和原子中电子相互作用引起的。
对这些现象的讨论，有助于给我们提供原子和分子结构的信息。 三种现象既与生活中的许多现象有关，又与现代光学技术 的前沿课题紧密相关。 物体的颜色是因为不同的物质对不同波长 的光波有选择的吸收的缘故， 例： 蔚蓝色的天空、旭日与夕阳的红色，都是光散射 的结果， 光的吸收和散射都造成光能量的衰减，在光纤通讯中 减小介质的衰减乃是成功的关键技术之一。
16
§6.3 光的散射 问：天空为什么是蓝的？旭日ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ夕阳为什么是红 的，而中午的太阳看起来又是白的？云为什么是 白的？如果没有空气，天空又会是什么样的呢？
1 光的散射现象
当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光 的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都 可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散 射的结果，这种现象称为光的散射。 例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧 面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘 散射的缘故。
3 吸收光谱
朗伯定律是吸收光谱的基本原理。入射的有连续波长分布的 光，透过物质后，在选择吸收区域，在有些波长范围被强烈 吸收，形成吸收光谱。 钠的吸收光谱
一般地讲，固体和液体选择吸收的波长范围较宽，称之 为吸收带；而稀薄气体选择吸收的波长范围很窄，表现 为吸收线。 反映原子、分子结构特征——原子光谱、红外光谱 大气窗口——空间遥感探测、气象等研究
第六章 光的吸收、散射和色散
6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释
6.2 光的吸收
6.3 光的散射
6.4 光的色散
*6.5
色散的经典理论
1
吸收 光的 散射 色散
三种现象都是光与物质的相互作用引起的， 是不同物质光学性质的主要表现，实质上是 由光和原子中电子相互作用引起的。
对这些现象的讨论，有助于给我们提供原子和分子结构的信息。 三种现象既与生活中的许多现象有关，又与现代光学技术 的前沿课题紧密相关。 物体的颜色是因为不同的物质对不同波长 的光波有选择的吸收的缘故， 例： 蔚蓝色的天空、旭日与夕阳的红色，都是光散射 的结果， 光的吸收和散射都造成光能量的衰减，在光纤通讯中 减小介质的衰减乃是成功的关键技术之一。
16
§6.3 光的散射 问：天空为什么是蓝的？旭日ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ夕阳为什么是红 的，而中午的太阳看起来又是白的？云为什么是 白的？如果没有空气，天空又会是什么样的呢？
1 光的散射现象
当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光 的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都 可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散 射的结果，这种现象称为光的散射。 例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧 面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘 散射的缘故。
光的吸收、色散和散射-PPT精品文档
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
2019/3/10
0
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
研究的主要问题： 光经过介质时吸收规律的描述； 光波色散及相速和群速问题； 光的瑞利散射和米氏散射。 要点： 1. 从经典电磁理论角度讨论光的色散和散射； 2. 对波的群速和相速及其色散参数间的联系； 3. 不同散射的特点；
2019/3/10 14
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
反常色散： 石英在红外区域中的反常色散曲线
2019/3/10
15
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
反常色散： 一种媒质的全部色散曲线
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。
2019/3/10
12
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
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 (
吸收光谱： 同一物质的发射光谱和吸收光谱有相当严 格的对应关系；若其自身发射某些波长的光， 则其也强烈地吸收哪些波长的光。 氢发射光谱与吸收光谱
2019/3/10
9
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
吸收光谱： 太阳光谱是典型的暗线吸收光谱；其暗线 称为Fraunhofer 谱线。这些光谱是处于温度较 低的太阳大气中的原子对更加炽热的内核发射 的连续光谱进行选择吸收的结果。 太阳光谱与Fraunhofer谱线
2019/3/10
0
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
研究的主要问题： 光经过介质时吸收规律的描述； 光波色散及相速和群速问题； 光的瑞利散射和米氏散射。 要点： 1. 从经典电磁理论角度讨论光的色散和散射； 2. 对波的群速和相速及其色散参数间的联系； 3. 不同散射的特点；
2019/3/10 14
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
反常色散： 石英在红外区域中的反常色散曲线
2019/3/10
15
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
反常色散： 一种媒质的全部色散曲线
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。
2019/3/10
12
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
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 (
吸收光谱： 同一物质的发射光谱和吸收光谱有相当严 格的对应关系；若其自身发射某些波长的光， 则其也强烈地吸收哪些波长的光。 氢发射光谱与吸收光谱
2019/3/10
9
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
吸收光谱： 太阳光谱是典型的暗线吸收光谱；其暗线 称为Fraunhofer 谱线。这些光谱是处于温度较 低的太阳大气中的原子对更加炽热的内核发射 的连续光谱进行选择吸收的结果。 太阳光谱与Fraunhofer谱线
《光学教程》姚启钧原著_第六章
各向同性介质： 入射光是自然光，正侧方 向——线偏振，斜方c ——部分 偏振，正对x ——自然光. 各向异性介质： 入射光是线偏振光，侧向 ——部分偏振. 偏振度：
Iy Ix p , 退偏振度： 1 p Ix Iy
15
五、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 )
dI l a dx，I a 0dx 4.答：朗伯定律和比尔定律的数学表达式分 I 别为： I ACl ， I ＝ I e I＝I 0 e a 0 • 和 。 I0
I
0 a
5.答：（1）线度小于光的波长的微粒对入 射光的散射现象通常称为瑞利散射。 （2） 瑞利定律表述为：散射光强度与波长的四 次方成反比，即： • I = f () - 4 。 6.答：因为光的散射。
• 2.分类： •①
• ②按不均匀团块性质
瑞利散射：线度 / 10 线性 米氏散射：线度 线度 自发拉曼散射 拉曼散射 受激拉曼散射 非线性 布里渊散射
廷 延德尔系散射：胶体， 乳胶液，含有烟雾灰尘 乳胶液，含有烟雾灰尘 的大气等 的大气等 延德尔系散射：胶体， 延德尔系散射：胶体， 乳胶液，含有烟雾灰尘 延德尔系散射：胶体， 乳胶液，含有烟雾灰尘 的大气等 分子散射：由于分子热 运动造成局部涨落引起 运动造成局部涨落引起 的的 分子散射：由于分子热 分子散射：由于分子热 运动造成局部涨落引起 分子散射：由于分子热 运动造成局部涨落引起 的
13
三、瑞利散射
•
1. 瑞利散射： l < 的微粒对入射光的散射现象。 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）
Iy Ix p , 退偏振度： 1 p Ix Iy
15
五、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 )
dI l a dx，I a 0dx 4.答：朗伯定律和比尔定律的数学表达式分 I 别为： I ACl ， I ＝ I e I＝I 0 e a 0 • 和 。 I0
I
0 a
5.答：（1）线度小于光的波长的微粒对入 射光的散射现象通常称为瑞利散射。 （2） 瑞利定律表述为：散射光强度与波长的四 次方成反比，即： • I = f () - 4 。 6.答：因为光的散射。
• 2.分类： •①
• ②按不均匀团块性质
瑞利散射：线度 / 10 线性 米氏散射：线度 线度 自发拉曼散射 拉曼散射 受激拉曼散射 非线性 布里渊散射
廷 延德尔系散射：胶体， 乳胶液，含有烟雾灰尘 乳胶液，含有烟雾灰尘 的大气等 的大气等 延德尔系散射：胶体， 延德尔系散射：胶体， 乳胶液，含有烟雾灰尘 延德尔系散射：胶体， 乳胶液，含有烟雾灰尘 的大气等 分子散射：由于分子热 运动造成局部涨落引起 运动造成局部涨落引起 的的 分子散射：由于分子热 分子散射：由于分子热 运动造成局部涨落引起 分子散射：由于分子热 运动造成局部涨落引起 的
13
三、瑞利散射
•
1. 瑞利散射： l < 的微粒对入射光的散射现象。 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）
光的吸收、散射和色散2N
散射规律：a）不变； b）I4（是瑞利散射） c）散射光强分布满足： I I /2(1 cos2)
2021/4/6
7
2）大颗粒散射（a) 米氏散射：光强与关系不明显。
例如白云为什么呈白色；吸烟时烟头冒出的烟 呈蓝色，而嘴里冒出的烟却呈白色。
散射光是部分偏振光，偏振度与颗粒大小、形状都有关。
② 纯净介质中的分子散射
由于纯净介质中分子的无规则热运动，使得分子
密度出现涨落发生的散射叫分子散射。
正午
解释现象：
傍晚
晨曦
大气层
•晴朗的天空是蓝的；
地球
•白昼的天空是亮的；
•日出或日落看到的太阳呈红色，而正午时呈白色。
2021/4/6
8
么么么么方面
Sds绝对是假的
三、光的色散
光的色散：物质的折射率随波长改变的现象 称为光的色散，也称折射色散。
1
1 朗伯定律
微分式： dI dx
I
吸收系数与波长和介质本身 性质有关，与入射光强无关。
() dI 1
I dx
dx
I0
I
I I-
dI
L
x
物理意义：单位长度上的光强吸收率，“－”号表示 随吸收层厚度增加光能量减少。
积分式：
I
dI
L
( ) dx
I I0
0
I I0e ()L
2021/4/6
2021/4/6
13
2）群速
实际光波可视为由多个不同频率单色波叠加而 成，各单色波以不同的相速v=/k传播。
考虑最简单情况：两列振辐相等，振动方向相 同，频率和波长相差很小，均沿z方向传播的单色 平面波叠加而成的波群。
EE12
2021/4/6
7
2）大颗粒散射（a) 米氏散射：光强与关系不明显。
例如白云为什么呈白色；吸烟时烟头冒出的烟 呈蓝色，而嘴里冒出的烟却呈白色。
散射光是部分偏振光，偏振度与颗粒大小、形状都有关。
② 纯净介质中的分子散射
由于纯净介质中分子的无规则热运动，使得分子
密度出现涨落发生的散射叫分子散射。
正午
解释现象：
傍晚
晨曦
大气层
•晴朗的天空是蓝的；
地球
•白昼的天空是亮的；
•日出或日落看到的太阳呈红色，而正午时呈白色。
2021/4/6
8
么么么么方面
Sds绝对是假的
三、光的色散
光的色散：物质的折射率随波长改变的现象 称为光的色散，也称折射色散。
1
1 朗伯定律
微分式： dI dx
I
吸收系数与波长和介质本身 性质有关，与入射光强无关。
() dI 1
I dx
dx
I0
I
I I-
dI
L
x
物理意义：单位长度上的光强吸收率，“－”号表示 随吸收层厚度增加光能量减少。
积分式：
I
dI
L
( ) dx
I I0
0
I I0e ()L
2021/4/6
2021/4/6
13
2）群速
实际光波可视为由多个不同频率单色波叠加而 成，各单色波以不同的相速v=/k传播。
考虑最简单情况：两列振辐相等，振动方向相 同，频率和波长相差很小，均沿z方向传播的单色 平面波叠加而成的波群。
EE12
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
例如: 被黄金薄膜反射的光呈现黄色，而由它们透射 的光则是绿色．
不具有选择反射性表面所反射的光，仍呈现白 色．例如，啤酒的泡沫呈现白色，而啤酒本身却是深 黄色．
玻璃：对可见光透明，对紫 外、红外不透明 ( 吸收 ) 橡皮：对可见光不透明（吸收），对红外光透明.
混泥土：对可见光不透明（吸收），对无线电波透明.
如图：用球坐标来表示电偶极子向周围辐
射的电磁波的矢量关系，电偶极子的电矩 矢量P沿着Z轴，沿任一方向(极角为θ)的 波的电矢量E沿着经线，磁矢量H沿着纬
线，各处的波pr都是e平rr面偏振的p． ez
z Acost
式中e为电子所带的电量，z为电子离开原点的距离，ω为电子
振动的圆频率，并设正电荷静止在坐标原点。 在电动力学中，
树木: 对绿光反射，对其它光吸收. 光谱色：光谱中的颜色，但是每一种的颜色都是纯色
实际生活中：有许多种颜色在光谱中并不存在；例如， 在光谱里找不出和高锰酸钾溶液的紫红色一样的颜 色．令白色光透射高锰酸钾溶液后，再用分光仪检查 之，可发现这种溶液能完全吸收光谱中部的各色光而 能透射光谱两端的红色光和紫色光，所以这种溶液所 显示的紫红色正是红色和紫色的混合色．
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——光的吸收、散射和色散都 是由光和物质中的原子中电子的相互作用.
§6.1 电偶极子辐射对反射和折射现象的解释
教学目标
1．了解电偶极子模型及其对反射和折射现象、布 儒斯特定律的解释;
2．理解光的吸收的原因，朗伯定律，吸收光谱; 3．理解光的散射的原因，散射的分类及其特性; 4．理解色散的特点，正常色散和反常色散的原因; 5．了解电偶极子振子模型及其经典电子理论对光
的吸收、散射和色散的解释.
除真空外，任何介质对电磁波都不是绝 对透明。这是由于光通过介质时光通过物质时 其传播情况就会发生变化：
反射光： I|| sin2 q q00
§6.2 光的吸收
光 通
① 光强度减小
散射 吸收
过
介 ②成彩色. 色散 n(ω0,ω) (ω入射光频率) 质
时 ③速度变慢或弯曲. n 不同.出现折射和双折
射现象、反射
一、一般吸收和选择吸收
1. 一般吸收：在一定的波长范围内，若某种媒质对 于通过它的各种波长的光波都作等量(指能量)吸收且 吸收量很小，则称这种媒质具有一般吸收性．即 对各
带色物体一般可区分为体色和表面色．
大多数天然物质如颜料、花等的颜色都是在光入 射物体内部相当深处的过程中，由于某些波长的光被 选择吸收后，使得物体呈现未被吸收的色光的颜色．
体色：即物体的颜色是由于物体内部成分不同而形成 的，所以叫作体色,呈现体色物体的透射光和反射光的 颜色是一样的．
表面色：物体的颜色是由于物体表面的选择反射形成 的，所以叫作表面色
一. 电偶极子模型
光照射物质时，策动物质中的电子和原子核振荡，由 于核的质量比电子重得多，故只考虑电子的振荡．即: 电偶极子振荡．
在经典理论中是不能完全正确地解释光和物质相互作
用 的关许系多， 主但 要是 现可 象以。+ 简qrl 单qp而直qa观l 说明有rr关物质光学性质
-q
+q -q
振荡偶极子周围的电磁场
二、朗伯定律
i. 对介质—遵从朗伯定律（或布格尔定律）. 光能→振动能→平动能→热能
S
I
1
0c
E2
0e2 A2 4 32 2cR2
sin 2 q
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~1波的电矢量和磁矢量的值各
为:
E
eA
4 0 c 2 R
2
sin
q
cos (t
-
R) c
H E
0c
坡印廷矢量的绝对值为 : (
r rr S EH
是电磁波能
流密度矢量，叫做坡印廷矢量 )
rr S E H EH
1
E2
0c
坡印廷矢量的平均值 (波的强度)
解释2：反射、折射定律
反射和折射是由于两种介质界面上分子性质的不连续性而引 起的。介质不同, 辐射阻尼力不同, 故在不同介质中有不同的 波速（相速）造成合成波等相位面的改变.
解释3：布儒斯特定律
如图：它表示在折射率为n2的介质中，一个分 子电偶极子在E2的作用下，沿着平行于E2的Z 轴方向做受迫振动时所辐射的“次波”，当反 射光方向恰和Z轴平行，因而在这个方向上没 有“次波。”所以没有反射光。
个波长的光, 吸收都相同.
其特点：光波几乎能透射，即通常的透明体
2.选择吸收：若媒质吸收某种波长的光能比较显著， 并且随波长变化而剧烈变化。称它具有选择吸收。 即对个别波长、波段的光, 有强烈吸收.
任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。
选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因
例如:绿色玻璃是把入射的白色光中的红色光和蓝色 光吸收掉,只剩下绿色光能够透射过去．
的不同部分上, 入射光的位相差可以忽略不计.
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。
不具有选择反射性表面所反射的光，仍呈现白 色．例如，啤酒的泡沫呈现白色，而啤酒本身却是深 黄色．
玻璃：对可见光透明，对紫 外、红外不透明 ( 吸收 ) 橡皮：对可见光不透明（吸收），对红外光透明.
混泥土：对可见光不透明（吸收），对无线电波透明.
如图：用球坐标来表示电偶极子向周围辐
射的电磁波的矢量关系，电偶极子的电矩 矢量P沿着Z轴，沿任一方向(极角为θ)的 波的电矢量E沿着经线，磁矢量H沿着纬
线，各处的波pr都是e平rr面偏振的p． ez
z Acost
式中e为电子所带的电量，z为电子离开原点的距离，ω为电子
振动的圆频率，并设正电荷静止在坐标原点。 在电动力学中，
树木: 对绿光反射，对其它光吸收. 光谱色：光谱中的颜色，但是每一种的颜色都是纯色
实际生活中：有许多种颜色在光谱中并不存在；例如， 在光谱里找不出和高锰酸钾溶液的紫红色一样的颜 色．令白色光透射高锰酸钾溶液后，再用分光仪检查 之，可发现这种溶液能完全吸收光谱中部的各色光而 能透射光谱两端的红色光和紫色光，所以这种溶液所 显示的紫红色正是红色和紫色的混合色．
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——光的吸收、散射和色散都 是由光和物质中的原子中电子的相互作用.
§6.1 电偶极子辐射对反射和折射现象的解释
教学目标
1．了解电偶极子模型及其对反射和折射现象、布 儒斯特定律的解释;
2．理解光的吸收的原因，朗伯定律，吸收光谱; 3．理解光的散射的原因，散射的分类及其特性; 4．理解色散的特点，正常色散和反常色散的原因; 5．了解电偶极子振子模型及其经典电子理论对光
的吸收、散射和色散的解释.
除真空外，任何介质对电磁波都不是绝 对透明。这是由于光通过介质时光通过物质时 其传播情况就会发生变化：
反射光： I|| sin2 q q00
§6.2 光的吸收
光 通
① 光强度减小
散射 吸收
过
介 ②成彩色. 色散 n(ω0,ω) (ω入射光频率) 质
时 ③速度变慢或弯曲. n 不同.出现折射和双折
射现象、反射
一、一般吸收和选择吸收
1. 一般吸收：在一定的波长范围内，若某种媒质对 于通过它的各种波长的光波都作等量(指能量)吸收且 吸收量很小，则称这种媒质具有一般吸收性．即 对各
带色物体一般可区分为体色和表面色．
大多数天然物质如颜料、花等的颜色都是在光入 射物体内部相当深处的过程中，由于某些波长的光被 选择吸收后，使得物体呈现未被吸收的色光的颜色．
体色：即物体的颜色是由于物体内部成分不同而形成 的，所以叫作体色,呈现体色物体的透射光和反射光的 颜色是一样的．
表面色：物体的颜色是由于物体表面的选择反射形成 的，所以叫作表面色
一. 电偶极子模型
光照射物质时，策动物质中的电子和原子核振荡，由 于核的质量比电子重得多，故只考虑电子的振荡．即: 电偶极子振荡．
在经典理论中是不能完全正确地解释光和物质相互作
用 的关许系多， 主但 要是 现可 象以。+ 简qrl 单qp而直qa观l 说明有rr关物质光学性质
-q
+q -q
振荡偶极子周围的电磁场
二、朗伯定律
i. 对介质—遵从朗伯定律（或布格尔定律）. 光能→振动能→平动能→热能
S
I
1
0c
E2
0e2 A2 4 32 2cR2
sin 2 q
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~1波的电矢量和磁矢量的值各
为:
E
eA
4 0 c 2 R
2
sin
q
cos (t
-
R) c
H E
0c
坡印廷矢量的绝对值为 : (
r rr S EH
是电磁波能
流密度矢量，叫做坡印廷矢量 )
rr S E H EH
1
E2
0c
坡印廷矢量的平均值 (波的强度)
解释2：反射、折射定律
反射和折射是由于两种介质界面上分子性质的不连续性而引 起的。介质不同, 辐射阻尼力不同, 故在不同介质中有不同的 波速（相速）造成合成波等相位面的改变.
解释3：布儒斯特定律
如图：它表示在折射率为n2的介质中，一个分 子电偶极子在E2的作用下，沿着平行于E2的Z 轴方向做受迫振动时所辐射的“次波”，当反 射光方向恰和Z轴平行，因而在这个方向上没 有“次波。”所以没有反射光。
个波长的光, 吸收都相同.
其特点：光波几乎能透射，即通常的透明体
2.选择吸收：若媒质吸收某种波长的光能比较显著， 并且随波长变化而剧烈变化。称它具有选择吸收。 即对个别波长、波段的光, 有强烈吸收.
任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。
选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因
例如:绿色玻璃是把入射的白色光中的红色光和蓝色 光吸收掉,只剩下绿色光能够透射过去．
的不同部分上, 入射光的位相差可以忽略不计.
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。