第六章光的吸收散射和色散

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）.
例2. 蜜蜂靠天空光的偏振性Βιβλιοθήκη Baidu别方向（蜜蜂的眼睛中有对偏振 敏感的器官）
2) 纯净气体或液体的散射（分子散射）
分子热运动，引起密度起伏，形成非均匀的小 “区 域” ，发出次波，造成非相干迭加。
米— 德拜，廷德尔散射 ( d >λ/20 ). 散射光强与λ无关 白光散射,也可以为是衍射的结果. 例: 白云、雾、白烟.
延 迁德尔德 散射：尔 胶体、乳系 胶液、散 含有烟射 雾乳 灰尘的： 胶 大气等胶 液 分 分子散子 射：由散 于分子热射 运动成： 局部涨由 落运 引起的于 动分 造
四、散射光的偏振性
各向同性介质： 入射光是自然光，正侧方
向——线偏振， 斜方c ——部分偏振，正对
x ——自然光. 各向异性介质： 入射光是线偏振光，侧向 ——部分偏振.
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。
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。
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．
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.
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p都是e平r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，
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
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
按电磁学理论：每个次波的振幅是和它的频率的平方 成正比，而每个次波的光强，又和它的振幅的平方成 正比。因而叠加这些次波的光强，可得散射光强和波 长的四次方成反比的瑞利定律。
I
1
4
,(I
4)
或: If()4
（d <λ/ 20）
f ()是光源强度按波长函分数布 。
此式为瑞利散射定律
这种线度小于入射光波波长的微粒对入射光的 散射现象，称为瑞利散射。 瑞利散射特点
直线传播 机理：介质中的电子在光波电磁场作用下作受迫振动,消耗能量,
发射次波，由于介质的小范围的不均匀性.
r r(r )产生衍射（即散射）.
三、瑞利散射
分子散射的理论首先是由瑞利提出来的，瑞利认为由 于分子的热运动破坏了分子间固定的位置关系，使分 子所发出的次波不再相干，因而产生了旁向散射光。 是分子所发的次波，到达观察点没有固定的相位关系， 是不相干叠加。
不稳定非均匀介质 a 变, 非弹性散射 ( 拉曼、布里渊散射）
二. 散射、反射、漫射、衍射的区别
光的散射现象之所以区别于直射、反射和折射，主要因为 “次波”发射中心的排列不同.
“次波”发射中心的排列：
散射时无规则 一定有序 完全有序
散射. d <λ. 衍射. d≥λ 漫射. d >λ.
反射. d >>λ.
教学目标
1．了解电偶极子模型及其对反射和折射现象、布 儒斯特定律的解释;
2．理解光的吸收的原因，朗伯定律，吸收光谱; 3．理解光的散射的原因，散射的分类及其特性; 4．理解色散的特点，正常色散和反常色散的原因; 5．了解电偶极子振子模型及其经典电子理论对光
的吸收、散射和色散的解释.
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：
在均匀介质中,光能沿着折射光线方向传播,在这种情 形下,光朝各个方向散射是不可能的.因为光在均匀介 质中传播时,介质中偶极子发出的次波具有与入射光 相同的频率,并且由于偶极子之间有一定的位相关系, 因而它们是相干光.
散射的基本概念
1.定义：当光束通过光学性质不均匀的物 质时从侧面可以看到光的现象，称为光的 散射。 其特点:散射会使光在原传播方向上的光强减弱，它 遵守指数规律
§6.3 光的散射
到现在为止，我们已研究了光在各向同性介质与各 向异性介质中的折射现象、反射现象、吸收现象。这 些现象给我们提供了许多关于物质的结构和性质方面 的知识。散射光的一切性质－它的光强、偏振与光谱 成分，也都反映了散射介质的性质。研究光的散射现 象可以使我们得到关于物质结构的丰富的知识。
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.
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.
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．
解: 根据公式:
I0-II0(1-e-aad)
I 为光通过厚度为d的吸收层以后的光强,αa为吸收系数.
同样强度的光通过不同吸收物质的不同厚度,而产生相等的吸
收的条件为: 1-e- aad1-e- aa d
aadaad daaaad110-20- 51100cm 0
三、吸收光谱
产生连续光谱的光源所发出的光，通过有选择吸收的介质后， 用分光计可以看出某些线段或某些波长的光被吸收，这就形成 了吸收光谱。
式 I a a 是 中 I0 e 吸 - (a ， aa + 收 a s是 s)l系 散 I0 。 数 e 两 射 - al 者 系 a称 之 数 为 和 衰
一、非均匀介质中散射的经典图象
介质的不均匀性，使介质粒子发出的次波，位相不恒定造成 非相干迭加，在各处不会干涉相消，从而形成散射光.
稳定非均匀介质 a 不变, 弹性散射 ( 瑞利散射、米氏散射）
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
由于极少量混合物或化合物中 原子含的变化，吸收系数会变 化很大，可用检测混合物中的 微量元素.
大气窗口：1~15 m之间有7个，反映大气中水蒸汽、二氧化
碳和臭氧的含量. 选择 吸收的微观解释: 入射光频率与偶极振子固有频率相同 时产生共振吸收. (固有频率对应原子能级)
0E/ , E能级差
太阳光穿入大气层时被大气吸收，水汽和二氧化碳在红 外区有强烈吸收，而臭氧则在紫外区有强烈吸收.
1、散射光强与入长 射之 光比 强成 波四次 。方 2、散射光强随观 变察 化 ，当 方自 向然 而光，入
有Iq与1+co2sq成正。比
3、 散射光的偏振性与方 观向 察有关 。
自然界中的一些现象
例：朝阳、夕阳、蓝天、红路灯、青烟. 1) 稀薄气体的散射：
各气体分子发出次波的非相干叠加造成.是分子散射.
偏振度： P I y - I x Iy + Ix
通常又用退偏度计算
1-P
五、散射光的强度
光沿x轴传播，在xoz平面观察: I y I0
o
y
x
q
z
q a IzI0si2nI0co 2 s 余弦定律
a IIy+IzI0(1+co 2 )s
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
1） 悬浮质点的散射. 如悬浮液 、乳状液中的各悬 浮粒子发出次波，非相干迭加的散射.
2）临界乳光. 如在气液二相点时，分子密度起 伏很大，形成的散射.
• 2.分类：
•①
线性米 瑞氏 利散 散射 射： ：线 线度 度
/10
线度非线性拉曼散射自 受发 激拉 拉曼 曼散 散射 射
布里渊散射
• ②按不均匀团块性质
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
I
I0e-AAcl-
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 .
a - 稀溶液 :a C
a
a
该定律仅适用于物 质分子的本领不受 其四周邻近分子的 影响的情况。
例题
玻璃的吸收系数为10-2cm-1,空气的吸收系数为10-5cm-1,试问1cm 厚的玻璃所吸收的光,相当于多厚空气层所吸收的光?
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
坡印廷矢量的绝对值为 : ( SE H 是电磁波能
流密度矢量，叫做坡印廷矢量 )
SE H EH 10cE2
坡印廷矢量的平均值 (波的强度)
SI10cE230e2 2A 2c2R 24si2nq