第八章 光的吸收与散射

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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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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
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§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
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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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 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

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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。
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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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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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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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。
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（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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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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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
100
ka
Rayleigh Scatter Mie-Debye Scatter
a 0 .3 2
2

a ka 0.3
ka 0.3
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x
ks

E



y
k0
ks在E上的投影 cos sin cos( )
z
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（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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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。