光与物质相互作用
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qE00/ m f
2 tan 2 0 2
A
2
2 2 0
2
p qr
2
感生电偶极矩
q 2 E 0 cos t m
2
2 2 0
2
2
当 0
电偶极矩振幅最大
2
二、 带电粒子分类
重粒子 —— 原子核、离子 惯性大，在频率较低 的红外光中才能振动。 轻粒子——电子 能在紫外光、可见光照射下振动。
朗伯特定律
I I 0e
a s x
对于均匀介质（常温下的液体和固体），光强衰减主要是真吸收； 对于非均匀介质和稀薄气体，衰减光能量主要是由于散射。 媒质对各种波长的光的吸收程度相同，则为普遍吸收； 9 媒质对不同波长的光的吸收程度不一样，则为选择吸收。
15.4 光的色散(Dispersion of light)
一般电偶极矩 p e 0 E
各向同性介质： e 是常数
e: 分子的极化率 p // E
各向异性介质： e 与外电场方向有关，是张量。
p、E 方向关系复杂。
物质中大量靠得很近的原子分子，被同一列入射光激 发，形成的偶极子振动所辐射的诸次波是相干的，次波与 3 入射波也是相干的。
大颗粒媒质散射对波长无选择
散射概率
瑞利散 射区
a
云层中的水汽对所有波长的光散射相同，故看到的是白色的云。
5
为什么我们看到 的天是蓝色的？
宇航员在太空看 到的天空和太阳。
傍晚
中午
散射！
清晨
在地球上，清晨阳光穿过大气的距离较中午长，所 以被散射掉的短波成分更多——朝阳、夕阳呈红色。
6
宇航员看到的太空为什么是黑色的？为什么天空总是蔚蓝色的？为什么早晨 或傍晚看到的太阳呈红色而正午的太阳呈白色？如果地球表面没有大气，天 空将是什么样子？宇航员在太空中看到的天空又是什么样子？
媒质的折射率随光的波长而变化的现象称为色散
n
棱镜光谱
1、任何光学材料都有色散。
2、正常色散： n 3、反常色散：处于吸收带 附近。
0
10
15.2 光的散射 当光束通过光学性质不均匀的物质时，从侧
(Scattering of light) 面可以看到光，这个现象称作光的散射。
散 射 一. 纯净媒质的分子散射
散射媒质的不均匀度 a << 的媒质散射——瑞利散射 由于气体分子的无规则热运动，次级波源的分布杂乱无 序，因此破坏了各波相位的相关性，产生散射。散射光 是非相干的。 1
Is 4
太阳光通过大气层，空气中分子对短波部分散射强度大， 因此看天空是蓝色。 清晨和傍晚，阳光通过大气层的距离较中午长，短波被充 4 分散射掉后，人们见到的太阳就是红彤彤的。
二. 浑浊媒质的散射 在均匀气体或液体 中，分布着大颗粒的液体或固体质 元；这些质元的线度与光的波长相同或是更大些，这种混 合物体称为浑浊媒质。
当光束通过光学性质均匀的介质（如玻璃、纯水）时，在光束的侧面观察，几乎看不 到光，但当一束太阳光射入有烟雾的室内或混浊的水中时，我们从侧面也可以看到光 束的行径，这是由于光被混浊物质中的小微粒向各个方向散射所致。大雾天能见度低 是由于空气中的液体粒子多而引起的强烈散射的结果。光的散射是指由于介质中存在 微小粒子或分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。 从太阳射来的光被大气分子和天空的尘埃散射。蓝光比红光散射更强烈，故散射光中 蓝光占优势，仰望晴朗的天空，主要就是这些散射光进入眼内，这正是天空呈蔚蓝色 的原因。早晨或傍晚看到太阳呈红色，是因为此时太阳光几乎平行于地面，穿过的大 气层最厚，散射效应显著，蓝光被强烈散射，仅剩下红光到达地面，所以见到火红的 朝阳或夕阳。中午太阳光穿过大气层最薄，散射效应相对较弱，看起来太阳呈白色。 如果地球表面没有大气层，就没有大气分子来散射太阳光，因而白天的天空将是一片 漆黑，这时仰望天空，只能看见光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的天空，还能看到闪烁的 星星，这与宇航员在太空中看到的景象一样。 我们周围的大部分物体如红花、绿叶、青砖、黑瓦等能呈现它们各自颜色的原因是什 么呢？这是由于它们对各种颜色光的选择吸收所致。例如：红花中含有一种有机色素， 它可以吸收除红光以外的所有颜色的光，只把红光漫反射出来，故而呈红色。绿叶中 含有叶绿素，它可以吸收除绿光外其他颜色的光，只把绿光反射出来，所以叶子呈现 7 绿色。
—— 电磁辐射阻尼力
d2 r F2 F2 F3 m dt2
d2 r dr 2 2 0 r f 0 cos t dt2 dt
k 0 m
2m
固有频率 阻尼系数
稳态解
r (t ) Acos(t )
qE0 f0 m
1
稳态解
r t A cos t
8
15.3 光的吸收(Absorption of light)
经 dx距离后光强增量 dI：
I0
dI Id x
I
I -dI x
d I I d x
0 x
x+dx
Id
Baidu Nhomakorabea
I0
I I
dx
x 0
a s
真吸收 散射
II e
ln
I x x I0 0
三. 拉曼散射
光源
光谱仪
散射物质
3 2 1 1 2 3
1 0
1 0
紫伴线 红伴线
0——分子的固有频率。 分子的固有频率不止一个， 所以拉曼光谱中还有 2、 3 ； 2、 3
经典解释：散射分子无光照射时，也有分子电矩，并以固有频 率振动；当有光照射时，光波的电场和固有电矩耦合就会有拉 曼散射现象发生。
第 15 章 光与物质相互作用
光与物质相互作用：光的散射、吸收和色散 15.1 分子光学的基本概念(Concepts of molecule optics) 一、 电偶极子模型
F1 qE0 cos t —— 电场力
带电粒 子受力
F2 kr dr F3 dt
—— 其他电荷给的弹性力
2 tan 2 0 2
A
2
2 2 0
2
p qr
2
感生电偶极矩
q 2 E 0 cos t m
2
2 2 0
2
2
当 0
电偶极矩振幅最大
2
二、 带电粒子分类
重粒子 —— 原子核、离子 惯性大，在频率较低 的红外光中才能振动。 轻粒子——电子 能在紫外光、可见光照射下振动。
朗伯特定律
I I 0e
a s x
对于均匀介质（常温下的液体和固体），光强衰减主要是真吸收； 对于非均匀介质和稀薄气体，衰减光能量主要是由于散射。 媒质对各种波长的光的吸收程度相同，则为普遍吸收； 9 媒质对不同波长的光的吸收程度不一样，则为选择吸收。
15.4 光的色散(Dispersion of light)
一般电偶极矩 p e 0 E
各向同性介质： e 是常数
e: 分子的极化率 p // E
各向异性介质： e 与外电场方向有关，是张量。
p、E 方向关系复杂。
物质中大量靠得很近的原子分子，被同一列入射光激 发，形成的偶极子振动所辐射的诸次波是相干的，次波与 3 入射波也是相干的。
大颗粒媒质散射对波长无选择
散射概率
瑞利散 射区
a
云层中的水汽对所有波长的光散射相同，故看到的是白色的云。
5
为什么我们看到 的天是蓝色的？
宇航员在太空看 到的天空和太阳。
傍晚
中午
散射！
清晨
在地球上，清晨阳光穿过大气的距离较中午长，所 以被散射掉的短波成分更多——朝阳、夕阳呈红色。
6
宇航员看到的太空为什么是黑色的？为什么天空总是蔚蓝色的？为什么早晨 或傍晚看到的太阳呈红色而正午的太阳呈白色？如果地球表面没有大气，天 空将是什么样子？宇航员在太空中看到的天空又是什么样子？
媒质的折射率随光的波长而变化的现象称为色散
n
棱镜光谱
1、任何光学材料都有色散。
2、正常色散： n 3、反常色散：处于吸收带 附近。
0
10
15.2 光的散射 当光束通过光学性质不均匀的物质时，从侧
(Scattering of light) 面可以看到光，这个现象称作光的散射。
散 射 一. 纯净媒质的分子散射
散射媒质的不均匀度 a << 的媒质散射——瑞利散射 由于气体分子的无规则热运动，次级波源的分布杂乱无 序，因此破坏了各波相位的相关性，产生散射。散射光 是非相干的。 1
Is 4
太阳光通过大气层，空气中分子对短波部分散射强度大， 因此看天空是蓝色。 清晨和傍晚，阳光通过大气层的距离较中午长，短波被充 4 分散射掉后，人们见到的太阳就是红彤彤的。
二. 浑浊媒质的散射 在均匀气体或液体 中，分布着大颗粒的液体或固体质 元；这些质元的线度与光的波长相同或是更大些，这种混 合物体称为浑浊媒质。
当光束通过光学性质均匀的介质（如玻璃、纯水）时，在光束的侧面观察，几乎看不 到光，但当一束太阳光射入有烟雾的室内或混浊的水中时，我们从侧面也可以看到光 束的行径，这是由于光被混浊物质中的小微粒向各个方向散射所致。大雾天能见度低 是由于空气中的液体粒子多而引起的强烈散射的结果。光的散射是指由于介质中存在 微小粒子或分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。 从太阳射来的光被大气分子和天空的尘埃散射。蓝光比红光散射更强烈，故散射光中 蓝光占优势，仰望晴朗的天空，主要就是这些散射光进入眼内，这正是天空呈蔚蓝色 的原因。早晨或傍晚看到太阳呈红色，是因为此时太阳光几乎平行于地面，穿过的大 气层最厚，散射效应显著，蓝光被强烈散射，仅剩下红光到达地面，所以见到火红的 朝阳或夕阳。中午太阳光穿过大气层最薄，散射效应相对较弱，看起来太阳呈白色。 如果地球表面没有大气层，就没有大气分子来散射太阳光，因而白天的天空将是一片 漆黑，这时仰望天空，只能看见光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的天空，还能看到闪烁的 星星，这与宇航员在太空中看到的景象一样。 我们周围的大部分物体如红花、绿叶、青砖、黑瓦等能呈现它们各自颜色的原因是什 么呢？这是由于它们对各种颜色光的选择吸收所致。例如：红花中含有一种有机色素， 它可以吸收除红光以外的所有颜色的光，只把红光漫反射出来，故而呈红色。绿叶中 含有叶绿素，它可以吸收除绿光外其他颜色的光，只把绿光反射出来，所以叶子呈现 7 绿色。
—— 电磁辐射阻尼力
d2 r F2 F2 F3 m dt2
d2 r dr 2 2 0 r f 0 cos t dt2 dt
k 0 m
2m
固有频率 阻尼系数
稳态解
r (t ) Acos(t )
qE0 f0 m
1
稳态解
r t A cos t
8
15.3 光的吸收(Absorption of light)
经 dx距离后光强增量 dI：
I0
dI Id x
I
I -dI x
d I I d x
0 x
x+dx
Id
Baidu Nhomakorabea
I0
I I
dx
x 0
a s
真吸收 散射
II e
ln
I x x I0 0
三. 拉曼散射
光源
光谱仪
散射物质
3 2 1 1 2 3
1 0
1 0
紫伴线 红伴线
0——分子的固有频率。 分子的固有频率不止一个， 所以拉曼光谱中还有 2、 3 ； 2、 3
经典解释：散射分子无光照射时，也有分子电矩，并以固有频 率振动；当有光照射时，光波的电场和固有电矩耦合就会有拉 曼散射现象发生。
第 15 章 光与物质相互作用
光与物质相互作用：光的散射、吸收和色散 15.1 分子光学的基本概念(Concepts of molecule optics) 一、 电偶极子模型
F1 qE0 cos t —— 电场力
带电粒 子受力
F2 kr dr F3 dt
—— 其他电荷给的弹性力