光学教程第四版 姚启钧著 讲义第六章.6

20
二、正交棱镜观察法 ——显示色散最清楚的方法
21
三、正常色散与反常色散
• 1. 正常色散:波长越短折射率越大的色散。 • 柯西方程： a b c n • 经验公式，a、b、c为常数。
一般：
na b

2

4
• 色散曲线的特点：

2
,
dn d

2b

3
.
①波长越短，折射率越大； dn ②波长越短，d 越大，角色散率也越大； dn • ③在波长一定时，不同物质的折射率越大， d 也越大； ④不同物质的色散曲线没有简单的相似关系.
11
⒊ 规律：
IIe
0 0 ( 0 s )
Ie
0
l
吸收系数 散射系数
s
＝ ＋ －衰变系数
a
s
0
12
二、散射与反射、漫反射及衍射现象的区别
• • •
1.散射与直射、反射及折射的区别——“次波” 发射中心排列的不同 散射时无规则，而后者有规则。 2.散射与漫反射的区别：——次波中心的排 列仍有某些不同的方向性 3.散射与衍射的区别： 衍射：因个别的不均匀区域（孔、缝、小障 碍等）所形成的，不均匀区域范围大小≈。 散射：大量排列不规则的非均匀小“区域” 的集合所形成的，非均匀小区域的线度<。
Chap.6 Absorption、Scattering and Dispersion of Light
1
• • •
光通过物质时其传播情况就会发生变化： 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——光和原子中电子 的相互作用.
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. 偏振度：
p Iy Ix Ix Iy , 退偏振度： 1 p
15
五、散射光的强度
• 散射光的强度
I Z I C cos , I y I 0 , I I 0 (1 cos )
a 吸收系数.
A - 与浓度无关的常数 . C 溶液的浓度.
a 稀溶液 : a C
7
稀溶液 : C
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。 • 吸收光谱在化学、国防、气象等部门有 广泛的应用。
4
6.2 光的吸收
• 一、一般吸收和选择吸收 • 二、朗伯定律 • 三、吸收光谱
5
一、一般吸收和选择吸收
•
所有物质对某些范围内的光都是透明的， 而对另一些范围的光却是不透明的。 • ①一般吸收：吸收很少，并且在某一给定 波段内几乎是不变的；——可见光（石英） • ②选择吸收：吸收很多，并且随波长而剧 烈地变化。——红外光（3.5～5.0µ m） • 任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。
24
作 业
阅读： P 375～404 习题： P 404～405 选作： P 405 2 、4 、9 8
25
讨论题（6）
1.光通过物质时，它的传播情况会发生哪些 变化？这些变化会表现出哪些现象？ 2.光的吸收、散射和色散三种现象都是由啥 引起的？实质上是由啥引起的？ 3.光的吸收有哪两种？ 4.朗伯定律和比尔定律的数学表达式为何？
4.答：朗伯定律和比尔定律的数学表达式分 I 别为： I ，I＝I e • 和 I＝I e 。 I 5.答：（1）线度小于光的波长的微粒对入 射光的散射现象通常称为瑞利散射。 （2） 瑞利定律表述为：散射光强度与波长的四 次方成反比，即： • I = f () - 4 。 6.答：因为光的散射。
• 2.分类： •①
• ②按不均匀团块性质
瑞利散射：线度 / 10 线性 米氏散射：线度 线度 自发拉曼散射 拉曼散射 非线性 受激拉曼散射 布里渊散射
延德尔系散射：胶体， 乳胶液，含有烟雾灰尘 的大气等 延德尔系散射：胶体， 乳胶液，含有烟雾灰尘 的大气等 廷 延德尔系散射：胶体， 乳胶液，含有烟雾灰尘 延德尔系散射：胶体， 乳胶液，含有烟雾灰尘 分子散射：由于分子热 运动造成局部涨落引起 的大气等 分子散射：由于分子热 运动造成局部涨落引起 的 的 分子散射：由于分子热 运动造成局部涨落引起 分子散射：由于分子热 运动造成局部涨落引起 的
2
主 要 内 容
• 6.1 • 6.2 • 6.3 • 6.4 • 6.5
电偶极辐射对反射和折射现象的解释 光的吸收 光的散射 光的色散 色散的经典理论
3
6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释
• 电偶极子模型——可以解释：光在均匀各
向同性物质中直线传播，光在两种物质界 面上的反射定律、折射定律、布儒斯特定 律、光的传播速度……
13
三、瑞利散射
•
1. 瑞利散射： < 的微粒对入射光的散射现象。 l 2. 瑞利定律：散射光强度与波长的四次方成反比， 即： I=f () -4 f ()——光源中强度按波长的分布函数 3.应用：红光散射弱、穿透力强（信号旗、信号灯） →红外线（遥感等）
14
四、散射光的偏振性
• •
• • • •
1.答：（1）光通过物质时，它的传播情况会 发生两种变化：一是，光束愈深入物质，强 度将愈减弱；二是，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。 （2）这些变化会表现出光的吸收、散射和 色散三种现象。 2.答：（1）光的吸收、散射和色散三种现象 都是由光和物质的相互作用引起的。 （2） 实质上是由光和原子中的电子相互作用引起 的。 3.答：光的吸收有一般吸收和选择吸收两种。 28
的，衍射光谱（光栅）的谱线是匀排的。 • 2. 各种物质的色散没有简单的关系。
19
3.同一种物质在不同波长区的角色散率有不同的 值： 2 sin( A )
d 2
2
D • d d 1 n sin ( A ） 2 • • 它是两个因数的乘积：第一个因数主要与棱镜
2
dn
•
的棱角A有关，第二个因数有关棱镜物质的色 散特性。 dn 要研究色散，重要的是找 d 在各波长区 的值，或者找出n=f（λ）的函数形式。
26
5.什么是瑞利散射？瑞利定律如何表述？ 6.为什么晴朗的天空呈浅蓝色？ 7.清晨日出或傍晚日落时，看到的太阳呈红 色，这是什么缘故？ 8.红光和蓝光通过薄雾时，谁的散射较强？ 9.光的色散有哪两种？显示色散最清楚的方 法是什么？ 10.柯西方程是怎样表示的？孔脱定律是如 何表述的？
27
讨论题答案（6）
6
二、朗伯定律
•
⒈朗伯定律 光能→振动能→平动能→热能
dI I ln a dx， I I I0
I
0
dI I
a 0dx
l a
a ，I＝I 0 e
⒉比尔定律
I＝I e
0
ACl
a 吸收系数.
A - 与浓度无关的常数 . C 溶液的浓度.
a AC
22
• 2.反常色散：波长越短，折射率越小的色散. • 孔脱定律：反常色散总是与光的吸收有密
切联系。 • “反常”色散实际上也是很普遍的， “反常”并不反常，“反常”色散和“正常” 色散仅是历史上的名词。
23
6.5 色散的经典理论
•
介质的色散表示介质对于不同波长的入 射光有不同的折射率，即：不同频率的光波 在介质中的传播速度不同。 • λ 不同 → n 不同， • 即： 不同 → 不同。
8
6.3 光的散射
• • • • • •
一、散射的基本概念 二、散射与反射、漫反射及衍射现象的区别 三、瑞利散射 四、散射光的偏振性 五、散射光的强度 六、分子散射
9
6.3 光的散射
• 一、散射的基本概念 • 1.定义：当光束通过光学性质不均匀的物
质时从侧向却可以看到光的现象，称为光 的散射。
10
2 2
—— CO 与 OX 轴之间的夹角 。
16
六、分子散射
•
•
晴朗的天空呈浅蓝色、清晨日出和傍 晚日落太阳呈红色。 白昼的天空是亮的、云雾呈白色等。
17
6.4 光的色散
• 一、色散的特点
• 二、正交棱镜观察法• 三、正常色散与反Fra bibliotek色散18
一、色散的特点
• 1. 色散光谱（由棱镜折射而成）是非匀排
0
a dx， I
I
dI
a 0dx
l
a
ACl
a
0
0
0
29
7.答：光的散射。 8.答：蓝光。 9.答：正常色散与反常色散； 正交棱镜观察法 。 b 10.答：柯西方程为：
na

2

c
；

4
孔脱定律：反常色散总是与光的吸收 有密切联系。
30