第六章 光的吸收、散射和色散

第七章 光的吸收、散射和色散

光通过物质，其传播情况发生变化，有两个方面：

一、光强随光深入物质而减弱：光能或被物质吸收，或向各个方向散射所造

成。

二、物质中光的传速度小于真空中的，且随频率变化，光的色散。

这都是光与物质相互作用引起的，实质上是光和原子中的电子相互作用引起的。

§1 电偶极辐射对反射、折射现象的解释

一、电偶极子模型（理想模型）

用一组简谐振子来代替实际物质的分子，每一振子可认为是一个电偶极子，由两个电量相等，符号相反的带电粒子组成，电偶极子之间有准弹性力作用，能作简谐振动。 两种振子：

原子内部电荷的运动（电子振子）：核假定不参加运动，准弹力的中心 分子或原子电荷的振动和整个分子的转动（分子振子）： 质量较大的一个粒子可认为不参加运动 经典解释模型

:P

电偶极子，向外辐射电磁波

t A Z eZ P ωcos ==

:Z 离开原点的距离

电动力学证明，电偶极子辐射电磁波矢 )(c o s s i n 42

2

0c R t R

e eA E -=

ωθωπε

c

E H 0μ=

R ：观察点与偶极子的距离

201E c

EH H E S μ==⨯=

θπωμμ2

2

242202s i n 321

CR

A e E c I S o === 由上面式子，光在半径为R 的球面上各点的位相相等（球面波）落后原点

C

R 。但振幅则随θ角度，即波的强度I （能流密度）在同一波面上。

分布不均匀，见图I ,2

π

θ=

最大（赤道面上）在两极即偶极子轴线方向上

0 ,0==I Q 。

二、电偶极辐射对反射和折射现象的初步解释

原子、分子：cm 810- 光波长：cm 510-

在固或液物中，可认为在一个光波长范围，分子的排列非常有规律，非常密集，或可以认为是连续的。

总说明：光通过物质，各分子将依次按入射光到达该分子时的位相作受迫振

动，在一分了的不同部分，入射光的位相差忽略不计。各分子受迫振动，依次发出电磁波，所有这些次波保持一定位相关系（同惠一原理中次波）

说明1：各向同性均匀物质中的直线传播

所有分子振子在各方向有相同的图有频率，分子受迫振动发出次级电

磁波将与入射光波迭加，从而改变合成波位相，改变了它的传播速度（位相速度） 说明2：反射与折射

电射与折射是由于两种介质界面上分子性质的不连续性所引起，用同样模型可解释。 说明3：希儒斯特定律

一个分子电偶极在E 2的作用下，沿平行E 2的Z 轴方向作受迫振动所辐射的“次波”。

反射光方向垂直于折射光方向时，反射光方向恰与Z 轴平行，即在此方向无“次波”。如果入射角不等于布儒斯特角，即Z 轴不与反射光平行，其夹角为

θ，反射光强可用矢量I （图中）的长度确定，实际情况要复杂些。

§2 光的吸收

一般吸收：特点是吸收少

例石英对可见光的吸收（几乎是透明的）

选择吸收：吸收很多，并随波长而剧烈变化。例：石英对m m μμ0.55.3-的

红外光强烈。

一、朗伯定律

光矢量→带电粒子受迫振动→为光矢提供的→粒子与其它原子或分子碰撞→振能→平动能→物体发热→光能变热能（解释） 从能量观点：

朗伯提出假设：光在同一吸收物质内， 通过同一距离时，到达该处的光能量中 将有同样百分比的能量被该层物质吸收。

dx I

dI

a α-= a α：吸收系数，λ定a α不变。

⎰

⎰-=I

I l a dx I

dI

0 0

α

ln ln ln ln 00l I I l I I a a αα-=--=-

l a e I I α-=0

对可见光，实验表明这规律在光强度变化非常大的范围（1020倍）都正确。 空气：1510--≈cm a α 玻璃：1210--≈cm a α A c l

e I I -=0 比尔定律：淡溶液不成立，浓度大，分子间相互作用不可忽略，在比尔定

律成立下，由光在溶液中被吸收的程度，决定溶液的浓度——吸收光谱分析的原理。

二、吸收光谱

连续光通过选择吸收的介质后，用用光计可看出，某些线段或某些波长的光被吸收——吸收光谱。

§3 光的散射

当光通过光学性质不均匀的物质时，从侧向都可以看到光，这现象叫光的散射。

l l e I e I I s a ααα-+-==0)(0

:a α衰减系数

:s α散射系数

一、非均匀方法中的散射

光学性质的不均匀：

（1）均匀物质中散希看折射率与它不同的其它物质的大量微粒； （2）物质本身的组成部分（粒子）不规律的聚集。 例：尘埃、烟、雾、悬浮液、乳状液、毛玻璃等。

特征：杂质微料的线度一般小于光波长，相互间距大于波长，排列毫无规则，

在光照下的振动无固定位相关系，任何点可看到它们发出次波的迭加，不相消，形成散射光。

二、散射和反射，漫射和衍射的区别

（1）散射：“次波”发射中心排到不同，无规则，直射、反射、折射：有规

则，物体线度远大于波长。

（2）反射：反射定律仅在介质表面是理想光滑平面（镜面）的条件下方适

用。

（注：任何物质表面永不可能是几何平面，由于分子热运动，表面不断变化，但只要“凸”、“凹”部分线度远小于光的波长，就可认为是理想的光滑平面）

（3）漫反射：实验镜面都不是理想的，因而产生漫反射，这时，可认为是

许多小镜面反射的强度迭加，光从每小镜面反射时仍可认为逆从反射定律，只是这些小镜面法线方向无秩序，但它们次波中的排列仍有某些不同的方向性，从侧面看，有些地方看不见光。

（4）散射与衍射的区别：衍射的不均匀区域（小孔，缝等）可与波长比拟。

散射是大量排列到不规则的非均匀小区域集合形成的小区域一般比小波长小，小区域虽有衍射，但由于不规则排列发生不相干迭加，总体看，观察不到衍射现象。