第八章 光的吸收与散射课件
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
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− 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
光的散射和吸收
光通过某种物体时，光的强度降低，其原因是散射和吸收。
吸收分为一般吸收和选择吸收。
光通过物体时，不论何种波长，都被同等程度地吸收，称为一般吸收。
如果白光通过一般吸收介质时，白光只会变暗，颜色不会发生变化，绝对的一般吸收介质是不存在的。
选择吸收是指介质对某个频段范围内的光吸收的特别多，对于其他波长的光吸收得很少，例如绿玻璃，是因为玻璃对白光中的红光、蓝光等吸收特别多，对于绿光吸收得很少，所以玻璃就显示为绿色。
体色和表面色是有区别的，对于显示体色的物体，光需要透射进入介质一定深度，然后发射反射或散射，脱离介质表面。
光透射进入介质一定深度时，其中某些波长的光被选择吸收，介质显示为未被吸收波长的光。
表面色是由于被表面反射的原因，介质对不同波长的光反射程度不同，如黄金对黄光反射能力非常强，但对其他颜色的光反射能力很弱，因而黄金显示为金黄色，透过黄金的光为蓝绿色。
可见光的波长范围在770～390纳米之间。
波长不同的电磁波，引起人眼的颜色感觉不同。
770～622nm，感觉为红色；622～597nm，橙色；597～577nm，黄色；577～492nm，绿色；492～455nm，蓝靛色；455～390nm，紫色。
1666 年，英国科学家牛顿第一个揭示了光的色学性质和颜色的秘密。
他用实验说明太阳光是各种颜色的混合光，并发现光的颜色决定于光的波长。
烟颗粒的直径小于0.1微米。
溶液中分散质粒子直径小于1纳米，胶体中分散质粒子直径为1-100纳米，浊液分散质粒子直径大于100纳米，水分子直径为0.4纳米。
分散系：一种或几种物质微粒分散到另一种物质中形成的混合物。
按照分散剂可以分为三类：气溶胶、液溶胶和固溶胶。
分散系中依据分散相的微粒大小不同，系统具有不同性质，依据颗粒大小可以将分散系分为三类：溶液（分散质颗粒直径小于1纳米）、胶体（分散质颗粒直径为1-100纳米）、浊液（分散质颗粒直径大于100纳米）。
在光的传播过程中，光线照射到粒子时，如果粒子大于入射光波长很多倍，则发生光的反射；如果粒子小于入射光波长，则发生光的散射，这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光，称为散射光或乳光。
光学：光的吸收、散射和色散
（Absorption Scattering and Dispersion of Light ）
§6.1 光的吸收
6.2 光的吸收（Absorption of Light）
1．一般吸收和选择吸收（normal absorption & selective absorption）
实验发现：从容器侧 面看到的散射光，带 有青蓝色，透射光则 带有红色。
瑞利（Lord Rayleigh ,1842 -1919） 1904年 诺贝尔物理学奖获得者
进一步研究表明，散射光的强度与光波波长的四次方 成反比，可表示为：
I()
1
4
——称为瑞利散射定律
根据瑞利散射定律，可以对前面的实验现象作出很好 的解释。
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。
§6.2 光的散射
Scattering of Light
光线通过均匀的透明介质(如玻璃、空气、清水） 时，从侧面是难以看到光线的。如果介质不均匀， 如有悬浮微粒的浑浊液体，我们便可从侧面清晰 地看到光束的轨迹，这是介质中的不均匀性使光 线朝四面八方散射的结果。
如图所示为一种在可见光区域内透明的物质（如 石英）在红外区域中的色散曲线，在可见光区域内色散 是正常的，曲线（PQ段）满足科希公式。
若向红外区域延伸， 并接近吸收带时，色 散曲线开始与科希公 式偏离（见图中R 点）。
在吸收带内因光极弱，很难推测到折射率的数据。过 了吸收带，色散曲线（ST段）又恢复正常的形式，并 满足科希公式。
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
物理光学课件：1_4光的吸收色散和散射
二,光的色散
❖ 光的色散的定义： 光在物质中传播时，其折射率（传播速度）随 光波频率（波长）而变的现象。 ❖ 光的色散分两种：正常色散、反常色散。
正常色散:折射率随光波长的 增大而减少,其色散曲线 n呈 单调下降。
色散率：dn/d，介质的折射率随波长的变化率
2．物理机制
光通过非均匀物质时，杂质微粒的线度一 般比光的波长小，它们彼此间的距离比波长大， 而且排列毫无规则。因此，当它们在光作用下 振动时彼此间无固定的相位关系，次级辐射的 不相干叠加，各处不会相消，从而形成散射光。
瑞利散射：1) 稀薄气体以及悬浮微粒的散射（d <λ/ 10）
2) 纯净气体或液体的散射（分子散射）
例2. 蜜蜂靠天空光的偏振性辨别方向（蜜蜂的眼睛中 有对偏振敏感的器官）
米氏散射的特点：
（1）散射光的强度与入射光波长的依赖关系不很显著， 因此散射光的颜色与入射光的颜色相近；（白云）
（2）前向散射较多（瑞利散射前后对称，中间最少）
( 极强光， 不再是常数，以上的布格尔定律不成立。)
自变透明现象，自变吸收现象: 非线性效应 比尔定律
比尔（A. Beer）于1852年从实验上证明，稀释溶液 的吸收系数a 正比于溶液的浓度C
C
I I0eCl
式中为与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收
物质分子的特征。
仅适用于稀释溶液。
(二) 吸收的波长选择性
选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律，由于选择吸收， 任何光学材料在紫外和红外端都有一定的透光极限，这一 点对于制作分光仪器中的棱镜，透镜材料选取显得非常重 要。
光的吸收
❖ （1）对于可见光来说,各种物质的吸收系数
第八章 光的吸收、色散和散射讲解
：称为衰减指数，
I E~* E~ E0 2 exp(2nx / c)
与 I I 0 e l比较
得： 2n / c 4n / 0
电磁波的衰减因介质的吸收而产生
4．光的吸收与波长的关系
1）普遍吸收与选择吸收
（1）普遍吸收：吸收系数 与波长无关，
入射光从介质透射或反射后只改变 强度不改变颜色。空气、纯水， 无色玻璃等介质都在可见光范围内 产生普遍吸收。
（2）选择吸收：吸收系数 与波长有关，白
光从介质透射或反射后变为彩色光。绝 大部分物体呈现颜色，都是表面或体内 选择吸收的结果。
（3）对所有电磁波普遍吸收的介质是不存在的。 对可见光普遍吸收的物质，往往对红外 或紫外光选择吸收。
d0变n 化不 大2B时只取d0
30
4）牛顿正交棱镜色散实验装置
3．反常色散
1）反常色散定义：折射率随波长增大而增大
即色散率大于零 dn / d 0
2）反常色散实验
3）反常色散特点 （1）物质在某波长区域有反常色散时，
在该区也有强烈吸收。 （2）在吸收带范围内存在反常色散，
令： (2 1) / 2,0 (1 2 ) / 2 k (k1 k2 ) / 2, k0 (k1 k2 ) / 2
设： 0, k k0
有： E(x,t) E1(x,t) E2(x,t)
2E0 cos(kx t)cos(k0x 0t)
在吸收带以外存在正常色散。
第八章 光的吸收、色散和散射
§3 群速
1．群速问题的引出
1860～1862年间测定 CS2折射率时 折射率法（n sin i1 / sin i2 ）测得：n' 1.64
第八章光的吸收、色散和散射-四川大学
S 白光
α
吸收物质 图 8.1-2 观察吸收光谱的试验装置
5895.9 5889.9 3302.9 3302.3 2853.0 2852.8
o
λ( A) 图 8.1-3 钠蒸汽的吸收光谱
四川大学精品课程《光学》
应用：不同物质的吸收光谱都具有各自的特征，通过观察物质的吸收光谱，可以进行物质成 分的分析。 举例 1．大气窗口
§8.l 光的吸收
一．吸收定律
光的吸收——光的强度随进入介质的深度而减少的现象。 1．对于固体，实验证明，若入射光不是很强，则
− dI = αdx ——与入射光强的大小无关 Ix
式中比例系数α是吸收系数，与光强无关的量。 通过厚度为 l 的介质后光强度的大小： I = I0e−al
dx
I0 Ix
I Ix-dI
x=0
x
x=lBiblioteka 图 8.1-1 光的吸收——布格定律（朗伯定律）。
注意：在线性光学范围内，这个反映光的吸收的规律相当精确，但对于强激光源，上述规律 不再成立，须用非线性光学理论处理。
2．对于溶液，
I = I0e− ACl
——比尔定律
为了说明介质的吸收，还可引入衰减系数κ ，
α = 4π κ = 4π nκ
图 8.1-4 "大气窗口"对应的波段
说明：这是红外遥感、红外跟踪、红外导航等技术中采用的波段。 2．分光仪器
表 8.1-A 常用光学材料的透光极限
材
料
冕玻璃 火石玻璃 石英（SiO2） 岩盐（NaCl） 氟化锂（LiF）
透 光 极 限 （波长 nm）
紫外
红外
350
2000
380
2500
光的吸收、色散和散射-50页PPT资料
22.09.2019
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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；
法显示色散曲线。
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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)：
nf()AB2C4 nf()AB2
引入阻尼常数和电子固有频率，有：
rqmE02rr
g m
0
k m
由力学的阻尼振动解可得：
rqmE(2
1
02)i
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光学教程专题 光的吸收、色散和散射
光的发射、吸收和色散的经典电磁理论：
设介质单位体积内有N个原子，每个原子
有z个电子，则介质的极化强度等有：
平面波函数可表为：
nx (tnx)
EE0ec e c
将指数写到一起，有：
i(t n (1 i)x)
i(t n ~ x)
E E 0 e c E 0 e c
复数n称为介质的复折射率，其实部表示介质的
折射率，虚部n表示波产生的衰减。
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光学教程专题 光的吸收、色散和散射
细说明。故常称为布格定律或朗伯定律。
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光的吸收色散和散射
a
0ldx
ln I ，I＝I ea
I
a
0
0
⒉比尔定律
I＝ I e ACl 0
吸收系数. a
AC A - 与浓度无关的常数. a
吸收系数. a
C 溶液的浓度.
A - 与浓度无关的常数.
稀溶液 : C
a
a
C 溶液的浓度.
光的吸收特性
❖ （1）穿透深度的物质依赖
金属 10 6 cm 1 、玻璃 10 2 cm 1
(1 )
RS RS ( s ) ( As )
BS BS
第一章作业： 1 7 10 12 15 24 28
瑞利散射
1) 稀薄气体以及悬浮微粒的散射（d <λ/ 10） 2) 纯净气体或液体的散射（分子散射）
散射光强度的波长依赖
I
1
4
,(I
4)
例：朝阳、夕阳、蓝天（分子散射），红路灯.
散射光的偏振性
o
y
x
z
散射光强的角度依赖 I ( ) I /2 (1 cos2 )
散射光偏振性的应用
例1. 南北极探险用： “太阳罗盘”（利用阳光散射的 偏振性）辨别方向（因磁罗盘在南北极无用）.
A
exp [ i ( k~
z
t )]
A
exp( nkz)
exp[i(nk z
t )]
则平面波的强度 ：I
E E*
2
A exp( 2nkz)
令 a 2nk
则有 I I0 exp( a z)
式中I0是z=0处的光强, a为物质的吸收系数。
⒈朗伯定律
dI I
a
d
x， I I0
8 光的吸收、色散和散射
I I0 exp Acl
上式称为比尔定律。
a Ac
(8-27)
(8-28)
注意：朗伯定律对线性介质普遍适用； 比尔定律只适用于低浓度溶液。
第八章 光的吸收、色散和散射
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8.2.2 一般吸收与选择吸收
8.2 The absorption of light
一般吸收：介质对某一波段的光吸收很少且
dI a Idx
第八章
介质对单色光的 吸收系数 光的吸收、色散和散射
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8.2 The absorption of light
强度公式与吸收系数
积分并代入边界条件 ，得
L
dI a Idx
I ( L) ln I o ln( ) a L I (0)
I I0 exp a l
* 2 o
4
z)
n 表征介质影响光传播的相位特性， 随频率(波长)变化 色散
表征光在介质中传播时强度衰减的速度—— 消光系数
第八章 光的吸收、色散和散射
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曲线
02 2 Ne2 n 1 2 0 m 2 2 2 2 2 0
8.1 光与物质相互作用的经典理论
消光系数曲线
8.2 The absorption of light
选择吸收：大，随变化剧烈， o 一般吸收：小，随变化缓慢， 远离o
第八章 光的吸收、色散和散射
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8.2 The absorption of light源自大气的选择吸收----“大气窗口”
第八章 光的吸收、色散和散射
衰减，在吸收光谱中形成暗线。
第八章 光的吸收、色散和散射
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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。
第八章 光的吸收与散射
8－ 6
光的吸收与散射
（2）频率差ωj与入射光的频率ω0无关，它们与散射 物质的红外吸收频率对应，表征了散射物质的分子 振动频率。 （3）喇曼光谱可以用经典理论作出初步解释，入射 光场作用下分子获得感应电偶极矩，其发生振荡 (ωj )，从而产生伴线。但其很不完善，要用量子理 论才能完全解释。
p=αε0E α=α0+αjcosωj t E=E0 cosω0 t p= α0 ε0E0cosω0 t+ αjε0E0cosωj tcosω0 t = α0 ε0E0cosω0 t+ (αjε 0E0 /2)[ cos(ω0 － ωj ) t＋ cos(ω0 + ωj ) t]
8－ 6
光的吸收与散射
散射的分类
• 悬浮质点的散射 分子散射 • 散射定律 • 瑞利散射：当散射体的尺寸小于波长时， 散射光强∝(1/λ )^4 • 米—德拜散射：散射体颗粒度远大于波长 时，散射光强对波长的依赖性不强。
8－ 6
光的吸收与散射
散 射 几 率
k
4
瑞利区
0.01 0.1 1 10
米氏区
8－ 6
光的吸收与散射
光 电 探 测 器
I
吸收光谱
单色仪
记录仪器
入 射 光 （ 白 光 ）
吸 收 体 （ 样 品 ）
透 射 光
入 射 狭 缝
出 射 狭 缝 带 状 谱 线 状 谱
暗线
吸收带
I
能带
能级
受激吸收
8－ 6
光的吸收与散射
光的散射
• 光在不均匀媒质中产生散射。 • 介质中的带电粒子都对入射的光波进行散 射 • 如果粒子均匀分布，则所有散射波叠加的 结果，只剩下沿入射方向的光波。 • 所以，对于均的吸收与散射
第8章 光的吸收色散和散射.
二、正常色散与反常色散
1、正常色散：介质的折射率随波长的增加而 减小的色散。即：dn/dλ<0，且变化缓慢。
2、正常色散的特点： 波长越短折射率愈大； 波长愈短折射率随波 长变化愈大； 折射率大的材料色散 率也愈大。
波长变化不大。 如稠密介质吸收区ω 远 离的吸收ω0的吸收。 3、选择吸收：介质对光的吸收强烈，且随 波长剧烈变化。如稀薄气体吸收区ω在→ ω0的吸收。 4、吸收理论应用: 激光稳频 ，空间光学 和红外空间应用中应用波段的选择….。
5、从整个电磁波谱的角度考察，一般吸收 的介质是不存在的。
大气窗口图：
其它形式的能量而使光强度减弱的现象， 称为光的吸收。 2、朗伯（Lanbert）定律：光强的减弱dI正 比于I和dx的乘积,即：
dI a Idx
I I0 exp al
3、吸收系数和消光系数的关系
a
2k
4
I
I0
exp
4
l
不同介质的吸收系数值差异很大，介质的 吸收性能与波长有关。除真空外，没有任 何一种介质对任何波长的电磁波均完全透 明。
1862年勒鲁在观察蒸气的色散现象时发现 的，孔脱系统的研究勒反常色散；
反常色散不反常，它是介质的一种普遍现 象；
“反常”色散区常为“选择”吸收区。
解释：
Ne2
2 0m
02 2 2 2 2
二、光孤子
1834年，罗素（Russel）发现孤波(solitory wave)孤子(so1iton)：色散+非线性效应。
第八章光的吸收,散射和色散
第八章 光的吸收、散射和色散§1 光的吸收任何介质，对各种波长的电磁波能量会或多或少地吸收。
完全没有吸收的绝对透明介质中是不存在的。
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。
所谓“透明”是就某些波长范围来说的，而且在这些波长范围内也有少量的吸收。
吸收光辐射或光能量是物质具有的普遍性质。
一、光的吸收定律令强度为I 0的平行光束沿x方向通过均匀介质(图8-1)。
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dx时强度由I变为I+dI。
朗伯(J ·H ·Lambdet，1760年)指出：dI ／I应与吸收层的厚度dx成正比，即dI／I=-αdx式中α是与光强无关的比例系数，称为该物质的吸收系数。
右边的负号表示x增加(dx＞0)时，I减弱(dI＜0)。
对上式积分，并考虑到α是常数，有或 lnI-lnI 0=-αl由此得 I=I 0e -αl (8-1)式中I 0和I分别表示x=0和x=l处的光强，上式为朗伯定律的数学表达式。
这说明，介质越厚光强的衰减越严重。
当光通过透明溶液时，吸收系数与溶液的浓度C成正比，即α=AC (8-2)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。
这时(8-1)式可写为 I=I 0e -Acl (8-3)在浓度不太大时，(8-3)式与实际测量值很相符，在这种情况下，可以根据(8-3)式判断溶液的浓度。
该定律又称比尔定律。
［例8-1］玻璃的吸收系数为10-2cm-1，空气的吸收系数为10-5cm-1。
问1cm厚的玻璃所吸收的光，相当于多厚的空气所吸收的光?解：根据公式(8-1)，物质吸收的光强为∫∫−=l I I dx I dI 00αI 0-I=I 0(1-e -αl )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 -αl = 1-e -α′l′ 或 αl=α′l′故 l′= 即1cm厚的玻璃所吸收的光相当于10m厚空气所吸收的光。
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ka
Rayleigh Scatter Mie-Debye Scatter
a 0 .3 2
2
a ka 0.3
ka 0.3
8－ 6
光的吸收与散射
x
ks
E
y
k0
ks在E上的投影 cos sin cos( )
z
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光的吸收与散射
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光的吸收与散射
4、散射的分类 ① 悬浮质点的散射：如胶体、乳浊液、 含有烟、雾、灰尘的大气中的散射； ② 分子散射：分子热运动造成涨落很大， 光线照射到其上，会发生强烈的分子散 射——临界乳光。
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光的吸收与散射
二、瑞利散射定律
1、瑞利散射定律：散射体的尺度比光波 波长小的时候，散射光的强度与λ4成反 比。 2、米-德拜理论：以球形质点模型（半径 为a）则当ka＜0.3时，瑞利的λ4反比 律是正确的；当较大ka时，散射光强度 与波长的依赖关系就不十分明显。 其中: k=2π/ λ
光的散射
一、散射与媒质不均匀性尺度的关系
1、散射的基本概念 光在媒质中传播的过程中，不完 全沿着原来的方向传播，沿着四面八方 或多或少都有光线存在的现象，称为光 的散射。
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光的吸收与散射
2、媒质的均匀性与不均匀性 均匀性是指媒质沿着各个方向， 各个位置的密度分布是一样的，不均匀 性是指媒质中不同的位置密度分布是不 一样的。 媒质的均匀性和不均匀性是一个 相对的概念，涉及到其观测的尺度的水 平。从微观的角度考虑，没有任何物质 是均匀的，甚至连分子和原子内部也一 样，这里的均匀性与不均匀性是以光波 波长为尺度来衡量的（10-5㎝水平 上）。
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光的吸收与散射
3、散射与衍射、反射和折射之间的关系 ① 惠更斯次波源假说； ② 散射的次波波源是真实存在的——分 子 中的电子作受迫振动，发出相干光； ③ 均匀媒质中，次波相干迭加的结果只 剩下遵循几何光学规律的光线，沿其余 方向的振动完全抵消； ④ 非均匀媒质中，次波相干迭加的结果， 除了按几何光学规律传播的光线外，其 它方向或多或少也有光线存在——散射 光。
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光的吸收与散射
（4）喇曼散射的应用
能迅速测定分子的固有频率，判 断分子的对称性，分子内部的力的大小 及一般有关分子动力学的性质。 分子光谱本在红外波段，喇曼效 应把它转到可见光和紫外波段来研究， 它已成为分子光谱学中红外吸收方法的 一个重要补充，是光谱学中的一个分支。
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光的吸收与散射
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光的吸收与散射
3、为什么天空是蓝的、旭日和夕阳是 红的、而白云是白的？ 结合瑞利 λ4反比散射定 律与德拜理论 进行解释。
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光的吸收与散射
三、喇曼散射
1、瑞利散射不改变原入射光的频率，在液体 和晶体内的散射时，发现散射光中除了与入 射光原有频率ω0相同的瑞利散射线外，普线 两侧还有频率为ω0 ± ω1 、 ω0 ± ω2 、 … 等散射线存在，这种现象称为喇曼散射。 2、喇曼光谱 （1）在每条原始入射谱线（频率ω0 ）两旁都 伴有频率差相等的散射谱线，在长波一侧的 （频率为ω0 － ωj ）称为红伴线或斯托克斯 线，在短波一侧的（频率为ω0 ＋ ωj ）称为 紫伴线或反斯托克斯线。
吸收系数
I0
dI dx
I
I 0 dI
Bougure定律(1729)或 Lambert定律(1760) 对于溶液
AC
C 浓度
dI Idx
Beer定律（1852年）
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光的吸收与散射
吸收系数与波长的关系
• 普遍吸收：吸收系数与波长无关，吸收后所有成分 的光强改变。 • 选择吸收：吸收系数与波长有关，只强烈地吸某些 波长的光。 • 吸收光谱：白光（连续波长）入射后，被吸收的光 显示为光谱中的暗线，与发射谱中的亮线对应，可 作成分分析。 • 物体由于对光的吸收不同，而呈现出不同的颜色 • 发光体由于辐射波长范围的不同，也呈现出不同的 颜色
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光的吸收与散射
散射的分类
• 悬浮质点的散射 分子散射 • 散射定律 • 瑞利散射：当散射体的尺寸小于波长时， 散射光强∝(1/λ )^4 • 米—德拜散射：散射体颗粒度远大于波长 时，散射光强对波长的依赖性不强。
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光的吸收与散射
散 射 几 率
k
4
瑞利区
0.01 0.1 1 10
米氏区
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光的吸收与散射
（2）频率差ωj与入射光的频率ω0无关，它们与散射 物质的红外吸收频率对应，表征了散射物质的分子 振动频率。 （3）喇曼光谱可以用经典理论作出初步解释，入射 光场作用下分子获得感应电偶极矩，其发生振荡 (ωj )，从而产生伴线。但其很不完善，要用量子理 论才能完全解释。
p=αε0E α=α0+αjcosωj t E=E0 cosω0 t p= α0 ε0E0cosω0 t+ αjε0E0cosωj tcosω0 t = α0 ε0E0cosω0 t+ (αjε 0E0 /2)[ cos(ω0 － ωj ) t＋ cos(ω0 + ωj ) t]
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光的吸收与散射
光 电 探 测 器
I
吸收光谱
单色仪
记录仪器
入 射 光 （ 白 光 ）
吸 收 体 （ 样 品 ）
透 射 光
入 射 狭 缝
出 射 狭 缝 带 状 谱 线 状 谱
暗线
吸收带
I
能带
光的吸收与散射
光的散射
• 光在不均匀媒质中产生散射。 • 介质中的带电粒子都对入射的光波进行散 射 • 如果粒子均匀分布，则所有散射波叠加的 结果，只剩下沿入射方向的光波。 • 所以，对于均匀分布的介质，不必计入散 射。
第八章 光的吸收与散射
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光的吸收与散射
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光的吸收与散射
§9.1 光的吸收
• 一、吸收的规律 • 光强不是很大时，被吸收 的能量、即光强，与吸收 体的厚度成正比。
dI dx I x I I 0e