第六章 光的吸收、散射和色散教学文案
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第六章 光的吸收、散射和色散
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：
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。
可以证明电偶极子所辐射的电磁波的电矢量和磁矢量的值各
为:
E4e0cA 2R2siqnco (s t-R c)
H E 0c
r rr 坡印廷矢量的绝对值为 : ( SEH是电磁波能
流S密 度矢E r 量H ，r叫做E坡H 印廷10c矢E 量2)
坡印廷矢量的平均值 (波的强度)
SI10cE230e2 2A 2c2R 24si2nq
I
I0e-AAcl-
a
与浓度无关的常数
.
a - 吸收系数.wenku.baidu.coma
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
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
zAcots
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，
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.
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．
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
-dIaaIdx aa 吸收系数
I -dI
I0 I
0laadx
I I0e-aal
对空气：aa1- 05[cm -1], 对玻璃： aa1- 02[cm -1]
ii. 对液体—遵从比尔定律
a AC a
条件：浓度较小，忽略分a 子-间吸的收系相数互.作用.
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
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
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．
反射光： I||si2n q q 0 0
§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
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.
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qlr 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
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：
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。
可以证明电偶极子所辐射的电磁波的电矢量和磁矢量的值各
为:
E4e0cA 2R2siqnco (s t-R c)
H E 0c
r rr 坡印廷矢量的绝对值为 : ( SEH是电磁波能
流S密 度矢E r 量H ，r叫做E坡H 印廷10c矢E 量2)
坡印廷矢量的平均值 (波的强度)
SI10cE230e2 2A 2c2R 24si2nq
I
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a
与浓度无关的常数
.
a - 吸收系数.wenku.baidu.coma
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
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
zAcots
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，
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.
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．
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
-dIaaIdx aa 吸收系数
I -dI
I0 I
0laadx
I I0e-aal
对空气：aa1- 05[cm -1], 对玻璃： aa1- 02[cm -1]
ii. 对液体—遵从比尔定律
a AC a
条件：浓度较小，忽略分a 子-间吸的收系相数互.作用.
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
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
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．
反射光： I||si2n q q 0 0
§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
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.
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qlr 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