光的吸收、散射和色散

正侧向观察为偏振光
侧向观察为部分偏振光
P
Iy Ix Iy Iy
退偏振度：
1 P
光的色散
色散曲线
伍德实验
反常色散曲线：吸收 区域内的色散曲线
一种物质的 全部色散曲 线
正交棱镜观察法 可见光区域附近色散曲 线及其特点
柯西公式
正常色散曲线：可见 光区域附近色散曲线
下一张：习题
正交棱镜观察法
光束通过不均匀的透明介质时，从各个方
向都可以看到光这种现象称为光的散射， 这也是光的散射区别于漫反射之处，从侧 面看，漫反射有些地方看不见光；
从微观角度来看：原子中的电子在光波的作用下会振动，振动的 电子向周围发射电磁波，如果介质不均匀性的线度大于或与光波 长相当时，这些电磁波位相随机变化，散射光不会干涉相消，反 之在均匀介质中，发生干涉相消导致，只剩下原来的光束，从侧 面难以看到光。
A 点，垂直分量最大，水平分量为零
B 点，垂直分量为零，水平分量最大
D 点，垂直、水平分量都最大
2、B
3、
D
D
B
B
结论： 1、从正侧面方向观察，是偏振光
A
2、纵向观察时，是自然光
A D
B B B
3、从其他方向观察时，是部分偏振光
介质中分子各向同性
偏振光入射 介质中分子各向异性 当光射入某些液体或气体时，偏振度：
失去
米氏散射定律
根据颜色变化而监测受污染的程度
拉曼光谱的重要用途
1、拉曼散射光谱在生物医学上的用途 基本原理：基于拉曼光谱的非破坏性与分辨的精确性 水是生物主要成分，但它的拉曼光谱信号非常微弱
主要优势
许多生物样品中含有产生共振拉曼光谱信号的色素
适应用于激发和信号收集的各种光导纤维
蛋白质
核酸
对应于不同 的拉曼光谱
比尔定律
将朗伯定律应用于溶液中就得到比尔定律
将 代入朗伯定律，得 式中A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。 当浓度很大时，分子间的相互影响不能忽略， 此时比尔定律不成立。
光的散射
是什么
概念
3W
光的散射
为什么
产生原因
哪些
具体相关理论
偏振性
下一节 ：光的色散
什么是光的散射？
P
Iy Ix Iy Ix
光 的 散 射 公 式
退偏振度 公式
1 P
柯西公式 色 散 公 式
na
b

2
色散率公式
dn 2b 3 d
dn D 1 n 2 sin 2 ( A / 2) d 2 sin( A / 2)
角色散率公式
朗伯定律的数学公式
I I 0e
线 共性：相邻的两个吸收带之间n单调下降，每 经过一次吸收带，n急剧加大，柯西公式中A 的 加大 由图中可以看出对于极短波（X射线），任何 物质的折射率均小于1，那么X射线空气射向 该物质（从光密介质射向光疏介质），发生 全反射
光的吸收、散射Baidu Nhomakorabea色散
公式归纳及习题分析
朗伯定律加散射衰 减系数的公式
定律： I 瑞利散射
s
1
4
瑞利认为在微粒尺度比光的波长小的条 件下，微粒极化是只感生出电偶极矩， 而各个偶极振子辐射功率正比于频率的 四次方，且各个子波不相干，那么散射 光强正比于频率四次方 如果微粒线度接近波长，甚至比波长 大，那么瑞利散射不再适用，散射光 强与波长的依赖关系不再明显，即各 种波长的光散射程度相当，这就是米 氏散射。
色散率也越大 （3）不同物质的色散曲线没有简单的相似关 系
柯西公式
正常色散的经验公式
当变化范围不太大时公式可只取前两项 由此可见短波材料的色散效应更为显著
在吸收区域内的色散曲线 伍德实验
在吸收区域内的色散曲线
一种物质的全部色散
一种物质的全部色散
图中考察从0到几百米的范围内的全部色散曲
1 P
求散射光偏振度的题一般也涉及尼克尔 棱镜的性质—与尼克尔棱镜主截面平行 的光分量才能透射出。这样把尼克尔棱 镜不同位置的设为x轴和y轴，把光强带 入公式就可以求解了。
对应习题6-6
返回
（5）柯西公式
na
b
习题中用得 最多的公式
2
对应习题6-7、 6-8、6-9、6-12
一般习题形式——给出两种波长及对应的折 射率，求a和b。
正交棱镜观察法
图中两个三棱镜的折射棱互相垂直，P1使光
屏上得到水平方向的连续光谱，P2使通过以 后的每一条谱线竖直向上移动，若两棱镜的 材料相同，则光谱 A’H’仍是直的 若不同则变 成弯曲的
可见光区域附近色散曲线及其特点
可见光区域附近色散曲线及特点
色散曲线具有以下几个特点：
（1）波长越短，折射率越大，角色散率越大 （2）波长一定时，不同物质折射率越大，角
第六章：光的吸收、散射与色 散
制作人：郭靖东 张扬威 孙仁平 郑晨佳
光的吸收 光的吸收、色散和散射 光的散射 光束通过物质时，光束越深入物质，它 光的色散 的光强会减弱（光的吸收和散射造成 的）。光在物质中的速度随频率而改变 （这种现象叫做光的色散）。 宏观现象
光的吸收、色散和散射
作用机理
光与原子中 的电子相互作用引起
柯西公式
na
求导
b
前提条前
2
前提条前
dn 2b 3 d
色散率公式
dn D 1 n 2 sin 2 ( A / 2) d
角色散率公式
下一节：吸收应用
2 sin( A / 2)
光的吸收应用
光吸收的应用
选择吸收的应用
小 到 原 子 、 分 子 吸收光谱被广泛应用于 生活、生产、科学研究 以及医药等等方面
散射分类
米氏散射
依据在于 散射光波 波长与原 入射光的 波长是否 相同
拉曼散射
特点是散射后光波波长改变 拉曼散射使每 条原始入射光谱两旁都有频差为wj的若干 谱线，从而实现波段转移，例如将本来在 红外波段的分子光谱转移到可见光和紫外 波段研究
自然光入射：
将自然光分解为两垂直方向的偏振光，根据偏振光的分析： 1、A

吸收光谱的分类
波长范围
原子吸收光谱
189~900nm
分子吸收光谱
0.06um~1.25cm
紫外吸收光谱
/
食品安全
医药安全
起着检测化学成分的作用 原子吸收光谱法
吸收光谱法原子又称吸收分光光度法原子,是基 于蒸汽相中待测元素的基态原子对其共振辐射 的吸收强度来测定试样中该元素含量的一种仪 器分析方法。
I I 0 e ( aa as ) d
既是吸收公式 又是散射公式
瑞利散射散射光强与 波长四次方反比公式 散射光在不同方向 上的强度公式 偏振度 公式
Ix 4 y Iy 4 x
I I 0 (1 cos2 )
线偏振光照射 到各向异性的 介质上散射光 为部分偏振光 的公式
光谱分析
根据物质光谱来鉴别物质及确定它的化学组成和相 对含量的方法叫光谱分析。这里我们主要运用吸收 光谱 优点：：绝对灵敏度可达 ，准确度高； 选择性好；方法简便；分的速度快；用途广泛， 已能直接测定70种元素
实例：
1、通过吸收光谱分析太阳大气层中的一部分 元素 太阳光 穿过太阳 大气层 与元素标识谱 线相同的光被 吸收


定义 p274
吸收光谱

吸收光谱的产生 吸收光谱室温度很高的光源发出的白光，通过温 度较低的蒸汽或气体后观测产生的
吸收光谱的由来
基态原子蒸汽可以吸收该元素特征辐射的现象，早 已被人们所认识。 1860年，本生（R.Bunson）等在研究碱金属和碱 土金属的火焰光谱时，发现钠蒸汽发出的光辐射通 过温度较低的钠蒸气时，光辐射的强度被减弱。 直到1955年，澳大利亚物理学家沃什（A.Wacsh） 奠定了原子吸收光谱法的理论基础，发明了原子吸 收法最常用的光源——空心阴极灯，才使原子吸收 光谱法作为一种分析方法而问世。
散射相关应用
散射相关应用
解释生活现象
瑞利散射定律 实际用途 解释生活现象 三理论 米氏散射定律 应用于环境污染监测等方面 用途 拉曼散射光谱 用于科学研究、生物医学等 方面
其他方面
生活现象：
1、为什么海面呈现蓝色？
海水中颗粒线 度小于波长 瑞利散射定律 长波光穿透力强，短 波光穿透力弱
2、旭日和夕阳为什么是红色？
瑞利散射定律 短波散射比长波散射强
I s 1 4
旭日东升
夕阳西下
3、为什么点燃的香烟冒出的烟是淡蓝色？
烟中含有大量颗粒， 且线度小于波长
瑞利散射定律
短波成分散射强， 观察淡蓝色
瑞利散射实际用途：
1、信号灯的使用（如红绿灯） 主要原理是瑞利散射定律，长波穿透力强
生活现象：
1、为什么烟圈从口中吐出为白色？
a d
在指数中加入散射衰减系数，就 得到沿原方向上的透射光强公式
I I 0e
( aa as ) d
对应习题6-1、6-2、6-3 涉及这个公式的习题分为两类，一是已 知指数求光强，二是已知光强求指数， 没什么技巧，做简单的数学代换即可。
返回
（2）瑞利散射散射光强与波长四次方反比公式
电偶辐射的解释
电偶极辐射产生的光强

物质中的电荷在入射光电矢量的作用下做受迫振动 由电动力学知识得到波强公式 进而得到波强(能 流密度)分布图 z
S
p
H
1 S E H EH E2 0c
1
O
E
0 e 2 A2 4 S I E2 sin 2 0c 32 2 cR 2
确定样品的成分，识 别不同的细胞组织
其他成分
进行医学诊断 运用识别技术，区分正 常组织与病态组织
2、用于考古
用拉曼光谱分析不同产地软玉 拉曼光谱考察玉器的三大特点 1、聚光斑点小 2、可以对微区结构特点进行研究
3、是一种无损分析法
不同地区的拉曼光谱数据
电偶极辐射对反射和折射现象的初步 解释
光做直线传播、反射和折射时 分子做受迫振动，次级电磁波与入射波叠加，
入射光方向合成波加强，其他方向合成波相消， 合成波相位发生改变
当线偏振光以布儒斯特定角入射时， 反射光垂直于折射光，而折射光电矢 量方向与电矩矢量平行，反射光和z轴 平行，而z轴方向不会有次波，也就是 不会有反射光；
烟圈 经口中而含有水 蒸气，使得单个 颗粒聚集成团 线度大于波 长，运用米 氏散射定律
与波长 关系不 大
忧郁的某人
2、云为什么是白色？
水滴线度大于波长 米氏散射定律 瑞利散射不适用 产生的散射与波长关系不大
（万里有云）
实际用途：监测环境污染
被污染空气中的微粒 蓝色 线度大于波长
呈现暗红色
绿色
黄色
食品、药品工业
吸收光谱的应用
科研方面
光谱分析
由来
分类
气象预测
下一节
选择吸收特例------车窗膜
法拉特冠军K－375（适用前风挡） 市场参考价：3500元/普通轿车 测试仪器：法拉特专卖店的“防爆膜质量检测仪” 测试结果：可见光透视率：74％ 红外线穿透率：14％ 小结：法拉特冠军K－375防爆膜的可见光透视率达 到了前风挡玻璃的安全要求，其红外线穿透率也在 比较低的水平，有较好的隔热效果。
光的吸收
知识结构图
一般吸收
光的吸收
选择吸收
朗伯定律
I I 0 e a d
比尔定律
朗伯定律
dI a Idx
I I 0e

a d
推导：朗伯用单色平行光通过均匀物质 发现光强 改变量与其穿透距离改变量存在上数关系 —— 吸收系数，与I无关。

在非线性光学领域里，吸收系数依赖于光的强度， 朗伯定律不在成立。
氢 氦 氮 碳 氧 铁 镁等十几 种元素
存在着从太阳里蒸发出 来的许多元素的气体
通过光谱分析 确实能够太阳 大气层中的元 素
检查半导体材料硅和锗是否达到了高纯度的 要求 发现新元素，铷和铯就是从光谱中看到了以 前所不知道的特征谱线而被发现的
天气与环境监测
通过吸收光谱研究大气中的水蒸气、二氧化 碳和臭氧的含量变化，从而作为气象预报和 环境污染监测的重要指标。
Ix y 4 Iy x
4
对应习题6-4
（3）散射光在不同方向上的强度公式
I I 0 (1 cos )
2
沿入射光方 向（a=0） 的散射光强 度
返回
对应习题6-5
观察方向与 入射光束传 播方向之间 的夹角
（4）线偏振光照射到各向异性的介质上散射光 为部分偏振光的公式
P
Iy Ix Iy Ix
当不同频率的光辐射（强度为I0v）通过原子蒸气时，有一 部分光被吸收，其透过光的强度（即原子吸收共振线后光 的强度）与原子蒸气厚度的关系服从比尔定律
实例

原子吸收分光光度法测定复方锌铁钙口服溶液中锌铁钙的 含量 原子吸收分光光度法测定葡萄糖酸锌口服液的含量 原子吸收分光光度法对果蔬型酸奶中Vc含量的测定