光学(第七章--光与物质相互作用)
化学光学光与物质的相互作用
化学光学光与物质的相互作用光学是研究光的传播、反射、折射、干涉、衍射等规律的科学，而化学光学则是光学与化学的交叉学科，研究光与物质之间的相互作用。
光与物质的相互作用是一门复杂而又神奇的领域，它不仅深刻影响着我们的日常生活，也在许多领域发挥着重要作用。
本文将从光的性质、物质的结构以及光与物质相互作用的机制等方面展开探讨，带领读者一起探寻化学光学的奥秘。
光的性质光是一种电磁波，具有波粒二象性。
在光学中，我们通常将光看作是一种波动，具有波长、频率、振幅等特征。
光的波长决定了光的颜色，波长越短，光的能量越高，颜色越偏向紫色；波长越长，光的能量越低，颜色越偏向红色。
光的频率与波长成反比，频率越高，波长越短，能量越大。
光的振幅则决定了光的亮度，振幅越大，光线越明亮。
此外，光还具有折射、反射、干涉、衍射等现象。
折射是光线从一种介质传播到另一种介质时改变传播方向的现象，根据不同介质的折射率，光线会发生偏折。
反射是光线遇到界面时从原来的传播方向反弹回去的现象，根据入射角和反射角的关系，可以得出反射定律。
干涉是两束光波相遇时互相叠加而产生明暗条纹的现象，根据光程差的不同可以分为构成干涉和破坏干涉。
衍射是光波遇到障碍物或通过狭缝时发生弯曲传播的现象，根据不同的衍射装置可以观察到不同的衍射图样。
物质的结构物质是构成一切物体的基本单位，其结构多种多样。
在化学光学中，我们主要关注的是分子和晶体结构。
分子是由原子通过化学键结合而成的，不同的原子组合形成不同的分子，而分子之间通过分子间力相互作用形成物质的宏观性质。
晶体是由周期性排列的原子或分子组成的固体，具有高度有序的结构，晶体的结构决定了其对光的响应。
光与物质的相互作用光与物质之间的相互作用是化学光学的核心内容，它包括吸收、发射、散射、折射、透射等过程。
光线照射到物质表面时，会发生吸收和反射。
吸收是光能被物质吸收转化为其他形式能量的过程，不同物质对不同波长的光有不同的吸收特性，这也是物质呈现不同颜色的原因。
化学光学光与物质的相互作用
化学光学光与物质的相互作用化学光学是研究光与物质相互作用的一个分支学科。
在这个领域中，我们探索了光的性质以及它与化学反应的关系。
通过分析和理解光与物质之间的相互作用，我们可以揭示化学反应的机制，并从中获得有关物质结构和性质的重要信息。
本文将介绍化学光学的基本原理和应用。
光与物质相互作用的基本原理光的电磁波特性光既有波动性又有粒子性。
光是一种电磁波，其传播速度是固定的，并且具有特定的频率和波长。
根据量子理论，光也可以被看作是由一系列能量量子（光子）组成的粒子流。
光谱学光谱学是研究物质与光相互作用时所产生的光谱现象的科学。
通过观察样品发射或吸收特定频率（波长）的光，我们可以对物质进行分析和表征。
光与物质相互作用的实验方法吸收光谱测量吸收光谱是最常见且广泛应用于化学分析和物质表征的技术之一。
通过测量样品在不同波长下吸收光线的强度变化，我们可以得到有关样品组成、结构和浓度等方面信息。
荧光和磷光测量荧光和磷光是物质在受到激发后发射出来的特定波长的光。
这种技术被广泛应用于检测、分析和追踪许多化学及生物体系中的物质。
散射光谱测量散射光谱是通过观察样品中散射出来或散射通过去其他材料中的光，来分析样品组成及大小等方面信息的一种方法。
其他方法除了上述常见方法外，还有许多其他技术可用于研究光与物质相互作用。
例如：拉曼散射、红外吸收、荧光寿命测量等。
化学光学在材料科学中的应用波导材料波导材料是一类可以将电磁能量从一个地方传输到另一个地方而无需电子参与的材料。
化学光学提供了设计和制备新型波导材料所需的基础知识和技术。
先进材料表征化学光学提供了一种非侵入性和高灵敏度的材料表征方法。
通过使用各种光谱测量技术，我们可以了解材料结构、形貌、电荷转移等方面信息，以进一步优化材料性能。
传感器技术具有响应特定化合物或环境变化能力的传感器对于监测和检测目标物质至关重要。
化学光学提供了一种高灵敏度和高选择性的传感器设计方法，使得准确、快速地检测目标物质成为可能。
光与物质相互作用的基本原理与应用
光与物质相互作用的基本原理与应用在我们日常生活中，光和物质的相互作用是无处不在的。
无论是我们所见的景象还是科技发展中的各种应用，都离不开光与物质之间的关系。
本文将探讨光与物质相互作用的基本原理与应用，并从光的电磁波性质、光的吸收、传播和散射等方面进行分析和阐述。
光是一种电磁辐射，具有特定的波长和频率。
光的波动特性决定了它在与物质作用时的行为。
在物质的表面上，光会发生折射和反射。
当光通过透明介质表面时，会发生折射现象，即光线改变传播方向。
根据斯涅尔定律，光的折射角度与入射角度以及介质的折射率有关。
这一原理在玻璃透镜、光纤通信等领域得到了广泛的应用。
与折射不同，反射是光在物体表面发生的现象。
光无法透过金属等非透明介质，而是被完全反射。
反射光被用于制造镜子、反光片和反射式望远镜等。
反射现象还被广泛应用于光学传感技术，例如激光雷达和光电测距仪。
除了折射和反射，还存在着光在物质中被吸收、传播和散射的现象。
吸收是指光传播到物质内部后，部分或全部能量被物质所吸收。
不同物质对不同波长的光的吸收程度不同，这为光谱分析技术提供了基础。
根据物质对不同波长光的吸收情况，可以获得物质的成分信息。
传播是指光在物质中的传递过程。
不同物质对光的传播速度有所差异，这一点在光纤通信中得到了广泛应用。
光纤中的光信号能够穿过长距离而不损失太多能量，从而实现了高速数据传输。
散射是光与物质相互作用后改变方向的现象。
与反射不同的是，散射是非定向的。
散射过程中，光与物质中的微粒进行相互作用，使得光的传播方向发生变化。
散射现象在大气中的发生导致了天空的蓝色，也被广泛用于分析物质微粒的分布和测量。
除了基本原理的应用外，光和物质的相互作用还存在着其他领域的应用。
例如，激光切割技术利用激光和物质之间的相互作用，使得物质在特定位置发生熔化或汽化，从而实现材料切割的目的。
激光切割具有高精度、高效率的特点，被广泛应用于金属加工、电子制造等领域。
在医学领域，光与物质相互作用也有着重要的应用。
中学物理教材分析-光学
光学的发展历程
01
02
03
古典光学时期
从古希腊到文艺复兴时期， 主要研究光的本性和传播 规律。
近代光学时期
从17世纪到19世纪，主要 研究光的干涉、衍射和偏 振现象。
现代光学时期
从20世纪至今，主要研究 光与物质相互作用、光子 学和光学信息处理等领域。
激光武器
利用高能激光束摧毁或损伤目标，具有速度快、精度高、抗干扰能 力强等优点。
光学制导
利用光学原理对导弹或炸弹进行精确制导，提高命中率。
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如全息照相、电子显微镜等光学仪器都是 利用光的衍射原理制成的。
06 光学在现代科技中的应用
光学在通信领域的应用
光纤通信
利用光导纤维传输信号，具有传输容量大、保密 性好、损耗低等优点。
可见光通信
利用可见光波段进行信息传输，具有传输速度快、 抗干扰能力强等优势。
自由空间光通信
利用大气激光传输信息，适用于短距离高速通信。
焦距
透镜对平行光的折射汇聚 点称为焦点，透镜中心到 焦点的距离称为焦距。
光路图
透镜光路图是描述光线 通过透镜的折射和反射
过程的示意图。
应用
放大镜、眼镜、相机镜 头等。
反射镜
种类
平面镜、凹面镜、凸面镜等。
反射定律
光线在反射镜上的反射遵循入 射角等于反射角的定律。
光路图
反射镜光路图是描述光线通过 反射镜的反射过程的示意图。
05 光学实验与现象
折射实验
折射现象
当光线从一种介质进入另一种介质时，由于速度 的改变而发生方向的改变，这就是折射现象。
化学光学光与物质的相互作用
化学光学光与物质的相互作用光学是研究光的传播、吸收、反射、折射、干涉、衍射等现象的科学，而化学光学则是光学与化学的交叉领域，研究光与物质之间的相互作用。
光是一种电磁波，具有波粒二象性，既可以看作是波动的能量传播，也可以看作是由光子组成的微粒。
在化学反应、光催化、光谱分析等领域，光学光与物质的相互作用起着至关重要的作用。
本文将从光的性质、光与物质的相互作用机制以及应用等方面进行探讨。
光的性质光是一种电磁波，具有波长、频率和能量等特性。
光的波长范围很广，从长波红光到短波紫光都包括在内。
根据波长的不同，光可以分为可见光、紫外光、红外光等。
光的频率与波长呈反比关系，频率越高，波长越短，能量也越大。
光的传播速度在真空中为光速，约为3.00×10^8 m/s。
光的波动性和粒子性是光学的两大基本性质。
光的波动性体现在光的干涉、衍射等现象上，而光的粒子性则表现为光子的能量量子化。
光的波动性和粒子性相互联系，构成了光学的基础理论。
光与物质的相互作用机制光与物质的相互作用是光学光与化学的重要研究内容。
光与物质的相互作用机制主要包括吸收、反射、折射、透射、散射、干涉、衍射等过程。
1. 吸收：当光照射到物质表面时，部分光能被物质吸收，转化为物质内部的能量。
吸收光的能量可以激发物质内部的电子跃迁，产生光谱吸收峰。
2. 反射：光照射到物体表面时，部分光线会被物体表面反射回来，形成反射光。
反射光的强弱取决于物体表面的光滑程度和入射角度等因素。
3. 折射：当光从一种介质传播到另一种介质时，由于介质密度的不同，光线会发生折射现象。
折射定律描述了光线在介质界面上的折射规律。
4. 透射：当光穿过透明介质时，部分光线会透射到介质内部，形成透射光。
透射光的强弱取决于介质的透明度和厚度等因素。
5. 散射：当光与物质发生碰撞时，光线会在各个方向上散射，形成散射光。
散射光的强弱与物质的粗糙程度和颗粒大小等因素有关。
6. 干涉：当两束相干光线叠加在一起时，会产生干涉现象。
化学光学光与物质的相互作用
化学光学光与物质的相互作用化学光学是研究光与物质相互作用的学科，它探索了光在物质中的传播、吸收、散射、发射等现象，并通过这些现象揭示了物质的结构和性质。
本文将介绍化学光学的基本原理和应用，以及光与物质相互作用的一些重要实验方法和技术。
光的性质光是一种电磁波，具有波动性和粒子性。
根据电磁波理论，光的波长决定了其颜色，而频率则决定了其能量。
光在空间中传播时呈直线传播，但当遇到物质时会发生折射、反射、散射等现象。
物质对光的吸收和发射物质对光的吸收和发射是化学光学研究的重要内容之一。
当光通过物质时，部分能量会被物质吸收，而剩余的能量则会被散射或透射出来。
物质对不同波长的光有不同的吸收特性，这也是我们能够看到物质的颜色的原因。
物质还可以通过吸收光的能量而发生激发，然后再以辐射的形式将能量释放出来。
这种发射光的现象被称为荧光或磷光。
荧光和磷光的颜色通常与吸收光的波长不同，这是因为物质在激发态和基态之间的能级差异导致的。
光谱学光谱学是化学光学中的重要分支，它研究了光与物质相互作用时所产生的光谱现象。
光谱可以分为连续谱和线谱两种类型。
连续谱是由各种波长的光混合在一起形成的，例如太阳光就是一个连续谱。
线谱则是由特定波长的光组成的，这些特定波长对应着物质的能级差异。
通过分析物质所产生的线谱，我们可以了解其组成和结构。
光散射光散射是指当光通过物质时，由于与物质中微小粒子（如分子、离子、颗粒等）相互作用而改变方向的现象。
光散射可以分为弹性散射和非弹性散射两种类型。
弹性散射是指光与物质相互作用后，其能量和频率不发生改变。
著名的雷利散射就是一种弹性散射现象，它使天空呈现出蓝色。
非弹性散射则是指光与物质相互作用后，其能量和频率发生改变。
拉曼散射就是一种非弹性散射现象，通过分析拉曼散射光谱，我们可以了解物质的振动和转动信息。
光学仪器与技术化学光学研究中使用了许多光学仪器和技术来观测和分析光与物质的相互作用。
其中最常用的仪器包括吸收光谱仪、荧光光谱仪、拉曼光谱仪等。
光与物质相互作用ppt
06
光与物质相互作用的未来发展
探索新材料
研究新的光与物质相互作用需要不断探索新的材料，发现具有新奇物理性质的材料，如拓扑材料、自旋电子材料等。
发现新物理效应
除了探索新的材料，还需要关注新的物理效应。例如，研究光与物质的相互作用可能会产生一些新的量子效应，如量子隧穿、量子相干性等。
新材料和新物理效应的探索
03
荧光现象的研究和应用涉及化学、生物学、医学和环境科学等领域。例如，荧光染料被用于生物显微镜和免疫分析中，以增强检测的灵敏度和特异性。
03
光与物质相互作用的实验技术
激光光谱学
激光光谱学是一种研究物质与光相互作用的技术，通过测量光谱线的频率、宽度和强度等参数，可以获得物质的结构、组成和状态等信息。
当光在物质中传播时，会与物质的分子或原子相互作用，使它们获得能量并改变其振动或旋转状态，从而产生散射。
拉曼散射可以提供关于物质结构、分子振动和旋转状态等重要信息。
01
当光照射某些物质时，它们会吸收光能并释放出较小的能量，产生荧光现象。
荧光现象
02
荧光现象是由于物质的分子或原子吸收光能后，电子从基态跃迁到激发态，当它们返回基态时释放出光子。
总结词
同步辐射光源具有高亮度、宽波段、高相干性和高偏振度等优点，可以用于研究物质的原子结构、分子结构、化学反应和物理过程等。通过对同步辐射光源的测量和分析，可以获得物质的结构、组成和状态等信息。
详细描述
同步辐射光源
04
光与物质相互作用的应用
激光冷却
激光可以用来冷却原子，使得原子速度降低到非常低的温度，甚至达到纳开尔文级别。这种技术可用于研究量子力学和统计物理中的特异现象。
突破经典物理限制
光与物质相互作用ppt
光的波动振幅
光的波动振幅表示光波的强度，其与光的粒子数成正比。
光与物质的边界条件
光的反射和折射
当光遇到物质表面时，会发生反射和折射现象，其遵循反射 定律和折射定律。
光的吸收和透射
当光通过物质时，会被吸收或透射，吸收率与物质的性质和 厚度有关。
03
光与物质的相互作用类型
光电效应
1 2
光电效应定义
光吸收系数计算
根据朗伯-比尔定律，计算物质对不 同波长光的吸收系数，推断物质的 结构和浓度。
荧光光谱分析
通过对荧光光谱进行分析，得出物 质的结构、能级分布以及电子跃迁 过程等信息。
散射光谱分析
通过对散射光谱进行分析，得出物 质的结构、大小、形状以及溶液中 的相互作用等信息。
05
应用领域与案例分析
材料科学
理过程仍然是一个挑战。
高能量密度光源的制备
02
高能量密度光源是研究强光与物质相互作用的关键，目前仍然
是一个挑战。
新原理新技术的探索
03
为了满足研究的需要，需要探索新的物理原理和新的技术手段
，这既是一个挑战也是一个机遇。
发展前景与方向
理论计算方法的改进和完善
随着计算机技术的进步，可以进一步完善现有的理论计算方法， 提高其精度和适用范围。
磷光是稳定现象，可以 持续数小时甚至数日， 磷光的产生难易程度与 物质的分子结构和组成 有关。
荧光和磷光应 用
荧光和磷光在光学检测 、化学分析、生物学研 究等领域有广泛的应用 价值。
04
实验方法与技术
实验方法
吸收光谱法
通过测量物质对不同波长光的吸收 程度，推断物质的结构和浓度。
荧光光谱法
通过测量物质在特定波长光照射下 产生的荧光光谱，推断物质的结构 和性质。
光与物质相互作用基础讲解
• σ为介质电导率
• 式中P为介质的电极化强度矢量，Mr为介0 质的磁极化强度矢量。P和E的关系为
• 式中 为电极化率
P 0E
2.1.2 麦克斯韦方程与波动方程 当电荷、电流分布给定时，从麦克斯韦方程组，根据初始条件以及边界条件就可以完全地决定电磁
场的分布和变化。下面推导波动方程 将（2-1-1a）两边取旋度，有 将（2-1-1b）和（2-1-2b）代入上式，可得
光与物质相互作用基础讲解
光电子学是研究光与物质相互作用的学科，而与物质相互作用主要是指与物质内部的电子
光的本质 光的描述
物质的结构 电子的状态
2.1 光学基础知识
2.1.1 光的波动理论与光子学说
• 17-18世纪：牛顿的微粒说 • 19世纪：惠更斯的波动说（机械波色彩）、麦克斯韦的电磁波、以太 • 20世纪：光电效应、爱因斯坦的光子假说 • “波粒二象性”
上式也可以写成 式中，v为电磁波在介质中2 的传播速度
E E 0 用类似的2方法，可以求出求解磁场的波动方程 或
t2
2E
1 v2
2E t2
0
2H
2H t2
0
作业： 推导磁场的波动方程
波动方程要与边界条件相结合，才能最终确定电磁场的分布。在不同介质分界面上的边界条件有
式 以中 及Ht在、界分面别s上为也电是J 荷s连面续密的度和面电流密度，n表示法线方向，t表示切线方向。当 和 为0时，Dn
D第一式为电场的高斯定理，表示电场可以是有源场，此时电力线发自正电荷，终止于负电荷。
磁感强度的散度处处为零。
第二式为磁通连续定律，即穿过一个闭合面的磁通量等于零，表示穿入和穿出任一闭合面的磁力
B0 线的数目相等，磁场是个无源场，磁力线永远是闭合的。
《光学》教学大纲(本科)
《光学》教学大纲注：课程类别是指公共基础课/学科基础课/专业课；课程性质是指必修/限选/任选。
一、课程地位与课程目标(一)课程地位振动和波动是横跨物理学不同领域的一种非常普遍而重要的运动形式，是声学，光学，电工学，无线电等技术部门的理论基础。
光学是普通物理学的一个重要组成部分，是研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用的基础学科。
光学是近代物理学的生长点，例如量子力学就起源于光学。
在物理专业中，它和原子物理、电动力学、量子力学等后继课有密切的关系，另外，也是光学专业的硕士研究生学好《高等光学》、《非线性光学》等课程的前提。
(-)课程目标1.知识目标：通过对本课程的学习，使学生系统地掌握振动与波动现象的物理规律。
学会运用数学知识和光学基本理论解决具体问题。
掌握几何光学、物理光学和光与物质相互作用的主要内容和理论，牢固地掌握几何光学、波动光学、量子光学、现代光学的基本理论和应用，深刻理解有关干涉、衍射、偏振等现象的原理和规律，理解光的波动、量子本性，培养学生的抽象逻辑思维能力，为后续课程奠定必要的基础。
2.能力目标：培养学生观察、分析' 概括的思维能力；培养学生自学、观察和独立思考的能力。
通过光学内容和研究方法的教学，培养学生的辩证唯物主义世界观。
3.素质目标：加强科学方法的教育，培养其良好的科学素质；培养学生独立思考的能力，初步具备分析问题、解决问题的能力；培养学生求实精神，创新意识和科学美感；引导学生开展团队式实践性学习，还有助于培养学生团队协作精神及有效的沟通能力。
二、课程目标达成的途径与方法本课程采用双语教学，以课堂教学为主。
在教学中要求有双语的最基本形式，对教材的利用要有一定的双语渗透，课外作业、期中、期末考核中对学生的双语学习要有一定要求，学生会用简单的英语描述一些光学相关的现象并解释。
专门安排小组讨论课，同时选择部分课程内容形成专题，以学生为主讨论专题内容及习题，学生组成团队式学习，通过教师讲解和团队讨论相结合的方式，使学生掌握各部分内容，从而完成教学任务。
光与物质相互作用 ppt课件
激光原理及其应用 举例
激光特点
• 亮度高 • 单色性好 • 方向性好 • 相干性高
激光原理及其应用 举例
激光原理
原子发光的三种跃迁过程(方式)
E2
E2
h
h
发光前
E! 发光后 吸收前
E! 吸收后
自发辐射
受激吸收
（原子的光激发）
E2
h
h h
发光前
E! 发光后
受激辐射
（光放大）
受激辐射不仅实现了光放大，而且产生的是相干光。
散射光的频率与入射光不同，这种散射光 的频率为
s 0
这种散射光的波长不同于入射光的波长的散射现象称拉曼 散射，相应的光谱称为拉曼光谱。
应用：
研究分子结构、化学成分的一种主要方法。
激光的出现，使拉曼光谱技术获得了新生，从而得以迅 速发展。
拉曼在拉曼散射方面卓有成效的研究，使他荣获1930年诺贝尔 物理学奖。他是印度，也是亚洲第一位获此殊荣的科学家。
据介质不均匀性质的起因，散射分为两类：
延德尔散射
光通过悬浮质点（或微粒）的散射，如光在胶体、乳浊液以 及含有烟、雾、灰尘的大气中的散射。
分子散射
在表面看来十分纯净、均匀的液体和气体中，也能观察到较 微弱的散射。这种因介质分子的密度涨落而引起的散射称为分 子散射。物质处于气、液二相的临界点时，密度涨落很大，在 光线照射下会的出现强烈散射，亦属分子散射。
光与物质相互作用
光和物质相互作用
组员：*** ********* 光科13**
目录
• 发光的物理研究 • 光的吸收 • 光的色散 • 光的散射 • 激光原理及其应用举例
发光的物理研 究
1.发光定义、特征
《光学》课程教学大纲
《光学》课程教学大纲课程名称：光学课程类别：专业必修课适用专业：物理学考核方式：考试总学时、学分：56 学时 3.5 学分其中实验学时：0 学时一、课程性质、教学目标《光学》是普通物理学的一个重要组成部分，是四年制本科物理学专业的一门专业必修基础课程。
它是研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用的一门基础科学。
通过本课程的学习，应使学生掌握光学的基本概念、基本原理、基本规律和处理问题的基本技巧，并能解决具体的实际问题；知悉现代光学知识及发展趋势，了解光学在科研、生产和生活实践中的应用以及学科发展的历史概况；培养学生的科学思维、科学品质和科学素养。
该课程主要包括物理光学、几何光学、分子光学、量子光学和现代光学五部分基本内容。
是学生学习原子物理、电动力学和量子力学等后继课程的基础，是“近代物理的敲门砖”。
为学生毕业后进入科学研究工作或从事中学物理教学工作打下良好的基础。
其具体的课程教学目标为：课程教学目标1：了解光的干涉现象和衍射现象；熟练掌握干涉衍射的基本原理、条纹特征、光强分布及其应用；掌握干涉仪的基本原理及其应用。
使学生能运用所学的干涉衍射知识解释生活中的一些光学现象，并能够胜任中学有关光学知识的教学工作。
课程教学目标2：深刻理解几何光学的基本原理；掌握光学元件的成像规律；学会运用几何光学的光线作图法寻找成像规律；掌握常用光学仪器的基本原理。
培养学生理论与实践相结合的能力，会分析解决相关物理中的实际问题。
课程教学目标3：了解光与物质的相互作用；理解光的量子性；领悟光的量子性的主要实验证据；理解激光的特性及其应用。
使学生能用所学的知识解释相关的自然现象，培养学生学习物理的兴趣。
课程教学目标与毕业要求对应的矩阵关系注：以关联度标识，课程与某个毕业要求的关联度可根据该课程对相应毕业要求的支撑强度来定性估计，H表示关联度高；M表示关联度中；L表示关联度低。
二、课程教学要求通过本门课程的学习，使学生了解光学发展史和基本的光学知识以及光学在科学领域中的应用，理解光学中有关光波的本性问题的探讨和其发展过程，掌握光的干涉、衍射和偏振等波动特性及几何光学、光的吸收、散射和色散、光的量子性等。
光与物质的相互作用与光学性质
光与物质的相互作用与光学性质光作为一种电磁波，与物质之间的相互作用是我们理解光学性质的基础。
无论是折射、反射还是散射，光在与物质接触的过程中发生的变化都是光学性质的体现。
本文将从不同角度分析光与物质的相互作用以及这种作用对光学性质的影响。
首先，我们来探讨光与物质的折射现象。
当光从一种介质中传播到另一种具有不同折射率的介质中时，会发生折射现象。
这是由于光在两种介质中传播速度的差异引起的。
光从一种介质进入另一种介质后，其传播方向会发生改变，这种改变产生的角度就是折射角。
根据斯涅尔定律，光的入射角、折射角以及两种介质的折射率之间存在一个简单的关系，即正弦定律。
接下来，我们来看一下光与物质的反射现象。
当光从一种介质中传输到具有相同折射率的介质中时，将会发生反射现象。
光的反射是指光从一个介质界面上发射出来，而没有穿透入另一种介质。
根据反射定律，入射光线与法线之间的角度等于反射光线与法线之间的角度。
利用反射现象，我们可以实现镜面反射，即将光线反射到一个特定方向上，例如平面镜和凹凸面镜等。
除了折射和反射现象之外，我们还需要讨论光与物质的散射现象。
散射是指光在通过介质时通过其微小的振动或散射中心而改变方向。
散射现象的强度取决于入射光的波长与物质的粒子大小之间的关系。
当入射光的波长远大于物质的粒子大小时，散射很弱，我们称之为雷诺散射。
相反，当入射光的波长接近物质的粒子大小时，散射很强，我们称之为密集散射。
著名的光的蓝天和黄昏红色是由于大气中气溶胶粒子造成的散射现象。
光与物质的相互作用不仅体现在折射、反射和散射上，还会引发一些其他的光学现象。
例如偏振现象，光波的振动方向可以在一个特定平面上振动，我们称之为线偏振光。
光与物质的相互作用可以改变光的偏振状态，例如通过偏振片的旋转。
此外，光与物质的相互作用还可以产生干涉和衍射现象，这是由于光波的干涉和衍射特性造成的。
除了光与物质的相互作用之外，物质的光学性质也会受到其他因素的影响。
光学_08光与物质的相互作用 光的量子性
单棱镜的色散
19
牛顿用交叉棱镜观测物质色散特性的实验
没有p2加时
白光
如果P1与P2的材料的色散特性不一样彩散曲线
21
正常色散的科稀公式： n=A + B/ λ 2 + C/ λ4 A、B、C是与物质有关的常数，由 实验数据确定。 当λ变化范围不大时，科稀公式可只 取前两项： n=A+B/ λ 2
惠更斯原理用折射率法测出媒质中的光速是相速大34原理用折射率法测出媒质中的光速是相速大多数其它方法测出的都是光的信号速度即群速折射率等于相速之比他们所测的都是空气和媒质中光的群速之比由于水的色散率不大群速与相速的差别不明显cs2的色散率较大测量的结果就发生了较大的分歧
第七章 光与物质的相互作用 光的量子性
2. 相速、波包、群速 （1）相速 对于各向同性媒质，波面的（等位 相面）传播速度，即称不相速。 （2）波包 在色散媒质中只有理想的单色波具 有单一的相速，然而理想的单色波是不 存在的，因为波列不会无限长。 一列有限长的波相当于许多单色波 列的迭加。一群单色波组成的波列叫做 波包。
29
（3）群速 当波包通过有色散的媒质时，它的 各个单色分量将以不同的相速前进，整 个波包在向前传播的同时，形状也随之 改变。 波包中振幅最大的地方叫做它的中 心，波包中心前进的速度称为群速。
1
二、除了真空，没有一种媒质在严 格意义上对光波是绝对透明的，光通过 媒质时，部分光被媒质吸收，另一部分 光被散射，余下来的部分按原来的传播 方向继续前进；另一方面，不同波长的 光在媒质中有不同的传播速度，即媒质 对不同波长的光有不同的折射率；一束 白光或多色光只要入射角不为零，不同 波长的光就会按不同折射角而散开，这 就是色散（如以前所讲过的三棱镜的色 散）。
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' i (t kx ) E E0 e 对应的光强为
2 I E0
比较可以得到： E0 2 I0e x ( E0e x / 2 )2 因而，B点的光波方程可以表示成
' i (t kx ) E E0 e E0 e x / 2ei (t kx )
nk0 x i (t kx ) e 与介质中的光波方程 E E0e
米氏散射区
ka 解释天空蓝色，初阳和夕阳的红色，白云，彩云，烟雾等的颜色 注意：介质的散射会改变光的偏振态
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第七章
光与物质的相互作用
第三节 光的散射
2. 拉曼散射 一般介质对光的散射不会改变光的频率，但是如果介质内部的结
构以一种固定频率j振动着，当频率为0的光入射到这样的介质中时，
就会散出三种频率的光： 与原来入射光频率一致 斯托克斯线 反斯托克斯线 0
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参考教材 赵凯华 编著：新概念物理学《光学》 2008年12月
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第七章
光与物质的相互作用
本章讨论的主要内容是：（1）介质中光的辐射经典理
论，以及一些光和物质相互作用而产生的一些现象，比如光 的吸收、色散、散射；（2）简要讨论了光与物质的相互作 用研究领域在20世纪最重大的发现和发明——激光。
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第七章
光与物质的相互作用
第四节 激 光
5. 谐振腔 法布里—泊罗干涉仪
工作物质
全反射镜
谐振腔的作用 充分利用能量 能量在空间上高度集中 能量在光频率上高度集中
部分反射镜
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光与物质的相互作用
第五节 光的波粒二象性
自己阅读
作业：7-1 7-3 7-11
1 e
Ne2 1 1 m 0 2 0 2 i
参照介电常数与折射率的关系，定义复折射率：
n
令 Ne2 1 1 n in 2 2 2m 0 0 i
Ne 2 n 1 2m 0 ( n Ne 2 2m 0
2 0 2 2 0 2 ) 2 2 ( 2 0 2 ) 2 2 2
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光与物质的相互作用
第二节 光的吸收与色散
1. 光的线性吸收规律 光是变化的电磁场，当光在介质中传播时，光的电磁场将和物质 的基本结构中的微观粒子发生作用，这些粒子在交变电磁场作用下， 通过能量的吸收和释放，形成新的发光源，并产生新的光波，这就是 光波在介质中传播的本质，这一点类似于惠更斯原理。但是，光波与 物质的作用是复杂的，产生的新的光波可能和原来入射的光一模一样， 也可能面目全非。如果是一模一样，这就是线性的，如果面目全非， 就有可能是非线性的。
埃（10-7Å）数量级。是世界上最纯的颜色。 方向性好。发散角 ~1/10度。
相干性高。相干长度可达数公里。
发光时间可以很短，功率最大。发光时间可短于1万亿分之一秒（10-12 秒），瞬时功率可达10万亿（1013）瓦特。
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第四节 激 光
2. 原子的激发与跃迁 过程之前 E2 过程之后
0 0
1 1 1 1 1
n
正常色散区
可见光
吸收区
光
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光与物质的相互作用
第二节 光的吸收与色散
3. 光的色散 在正常色散区，折射率可表示成一种近似的形式：
n A B
2
C
4
称作科希公式，它实际上严格的折射率公式的幂级数展开后的近似。 在正常色散区，折射率随波长的增加而减少，而在吸收带，折射 率随着波长的增加而急剧增加，可以想象，此时的光谱分布将发生逆 转，把吸收带中发生的色散称作反常色散。 正常色散
本章所涉及到的问题大部分是光学甚至是物理学的前沿问题，尽管以
经典的理论可以做一些解释，但对其本质的说话往往都是似是而非，比
如光的波粒二象性。因而，本章不做深入的探讨，只介绍最基本的知识。 感兴趣的话，希望大家进一步深造，通过光这个人眼可见的窗口去探索 物理世界最深层的奥秘。
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光与物质的相互作用
I 4 1/
4
即，波长越短越容易被散射，太阳光经过大气时，蓝光比较短，容 易被大气散射，而红光波长较长，散射的较少 而米氏和德拜认为，瑞利散射规律只适用于较小颗粒的散射，如果 颗粒半径a>0.3k时，散射不满足瑞利公式。
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光与物质的相互作用
第三节 光的散射
散 射 概 率
瑞 利 散 射 区
反常色散
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光与物质的相互作用
第三节 光的散射
当光入射到介质中时，将激起介质中电子做受迫振动，并发出次 波，如果介质是均匀的，次波相互相干叠加，形成新的波面应该遵从 几何光学规律传播，但如果介质内不不均匀，每一个颗粒发出的次波 相位都不一致，将不能相干叠加，而发生散射。 1. 瑞利散射 当光入射到不均匀介质中时，被散射的光多少与波长有关：
已知介质中的电场强度与极化强度的关系为： P e 0 E 比较可以得到：
e 0
Ne2 1 m e 0 2 0 2 i
电极化率与相对介电常数之间的关系为：
1 e
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光与物质的相互作用
第一节 光辐射理论
1. 介质中的光波 从上面分析可以看出，电极化率是个复数，为了与实数介电常 数相区别，定义复介电常数
E0e
e
e
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光与物质的相互作用
第一节 光辐射理论
2. 辐射的量子理论 量子理论认为，原子中的电子与核构成的 能量值是不能连续取值的，能量只能取一些 离散的值，形成一个能级系统，处于不同电 子轨道上的电子处于不同的能级状态。在热 平衡状态下，处于 各个能级状态的粒子数是 稳定的。满足所谓的波尔兹曼分布。 Ek
dI Idx
为什么有负号？
dI dx I
dx
这实际上是一个微分方程，光强从A端的 I0 传到B点，B点的光强 I 是多少？
A I0 x
B I
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光与物质的相互作用
第二节 光的吸收与色散
1. 光的线性吸收规律 对上式两边进行积分得到： 设B点的光波方程为
ln( I ) x I0 I I 0 e x
第一节 光辐射理论
1. 介质中的光波 设在介质中某点，光波的电场强度为：
E E0eit
介质内的原子中的电子和质子构成一对偶极子，电场E与偶极子发生 作用，并策动其振动，振动方程为： e 2 r r 0 r E (e / m) E0eit m r 是偶极子位移的大小，上述方程的一个稳定解为：
自发辐射
E1 E2 受激吸收 E1 E2 受激辐射
E1
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第四节 激 光
3. 粒子数反转 激光的光来自受激辐射，产生稳定、放大的受激辐射必要条件 是粒子数反转、光泵、谐振腔 粒子数反转的目的是为了使得受激辐射大于受激吸收。 设有三能级系统，E1，E2，E3。有可能形成如下的两种粒子数 反转情况 E3 N3 E3 N3 慢 快 E2 N2 E2 N2 激发 快 激发 慢 E1 N1 E1 N1 N3 > N2 N2 > N1
eE0 1 e E it r e m 2 02 i m 2 02 i
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第一节 光辐射理论
1. 介质中的光波 那么介质中电场强度E是如何传播的呢？先看极化强度大小，设介质电 荷密度为N，则介质的极化强度为：
Ne2 E P Ner m 2 0 2 i
0 -j 0 + j
对拉曼散射的光进行光谱分析，可以得到介质重要的结构参数， 形成拉曼光谱学
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第四节 激 光
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第四节 激 光
1. 激光的特点：
亮度高。可以达到太阳表面亮度的几十亿 ~ 几百亿倍
单色性好。一般激光发射的单色光的波长范围宽度约为一千万分之一
Ei Ek /h h
光的辐射和吸收可以分为自发辐射、受激辐射和受激吸收。
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第一节 光辐射理论
2. 辐射的量子理论 自发辐射：原子在没有受到外界作用下，自发的从高能级跃迁到低能级 而发射光子的辐射。 Ei 受激辐射：原子在受到外来光子诱导下，发 射一个与外来光子一模一样的光子。显然， h ~~~~ ~~~~ h ~~~~ h 介质内的原子能级状态必须具有和外来光子 Ek 能量一致的能级差 受激吸收：原子可以吸收一个光子跃迁到 高的能级，显然，此时，介质内的原子能 级状态也必须具有和外来光子能量一致的 能级差。 Ei h ~~~~ Ek
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第二节 光的吸收与色散
1. 光的线性吸收规律 如果物质对入射光某波长的光的吸收和释放的光能量相等，说明介质 对光波没有吸收，如果释放的 同一波长的光能减少了，就说介质对这个波 长有吸收。所谓线性吸收，指的是，物质在单位长度内对光能量的吸收正 比于入射到这个长度内的光的强度，正比于光在物质内传播的距离。设光 波经过厚度为dx的介质，在dx内光强为I，经过dx后，光强变为I+dI，则按 照线性吸收的定义，可以写成数学表达式：
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光与物质的相互作用
第二节 光的吸收与色散
3. 光的色散 通过光的辐射经典理论已经得到折射率与光的频率有关