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1、光的吸收色散和散射光的吸收色散和散射第1页，本讲稿共13页I0II-dIdxxx+dxlX定义：光通过介质后出现的出射光强小于入射光强的定义：光通过介质后出现的出射光强小于入射光强的现象。现象。解释：用经典电磁理论中的振子模型解释：光能解释：用经典电磁理论中的振子模型解释：光能 振动能振动能 热能。热能。21 吸收定律吸收定律1朗伯定律朗伯定律 设光通过厚度为设光通过厚度为dx的介质层时，的介质层时，光强由光强由I减少为减少为（IdI），），则有则有 成立成立2 2 光的吸收光的吸收第2页，本讲稿共13页2比尔定律比尔定律实验表明：在浓度较低的溶液中，吸收系数实验表明：在浓度较低的溶液中，吸收
2、系数 a与溶液与溶液浓度浓度C成正比，成正比，a=AC。A为与溶液浓度为与溶液浓度C无关的常无关的常数，表征物质的分子特性。数，表征物质的分子特性。代入代入 a与与C的关系，朗伯定律变形为的关系，朗伯定律变形为这称为比尔定律。利用比尔定律，通过测量这称为比尔定律。利用比尔定律，通过测量I可得溶可得溶液浓度液浓度C。积分可得通过厚度为积分可得通过厚度为l的介质后的光强的介质后的光强I，第3页，本讲稿共13页22 吸收类型吸收类型一般吸收：一般吸收：a值很小且不随波长发生明显变化，即值很小且不随波长发生明显变化，即 呈现所谓呈现所谓“透明透明”状态。状态。选择吸收：选择吸收：a值很大且随波长发生急
3、剧变化，即呈值很大且随波长发生急剧变化，即呈 现现“不透明不透明”状态。状态。吸收普遍存在于一切介质中，任何介质中都可发生两种类吸收普遍存在于一切介质中，任何介质中都可发生两种类型的吸收，关键取决于波长。型的吸收，关键取决于波长。23 吸收光谱吸收光谱产生连续光谱的光源在通过介质后产生吸收，所形成的产生连续光谱的光源在通过介质后产生吸收，所形成的光谱为吸收光谱，如图光谱为吸收光谱，如图65所示。吸收系数大的位置出所示。吸收系数大的位置出现谱线消失。现谱线消失。用途：物质的定量分析；气象、天文研究。用途：物质的定量分析；气象、天文研究。第4页，本讲稿共13页定义：光通过某些介质时，在偏离正常传播
4、方向上有定义：光通过某些介质时，在偏离正常传播方向上有 光出射的光出射的 现象。现象。3 3 光的散射光的散射31 散射类型散射类型 1 瑞利散射瑞利散射 发生于混浊介质中。原因是在均匀介质中包含许发生于混浊介质中。原因是在均匀介质中包含许 多线度比波长更小的、折射率不同的其他物质的多线度比波长更小的、折射率不同的其他物质的 微粒。微粒。2 分子散射分子散射 发生于表面看来均匀纯净的介质中。原因是介质发生于表面看来均匀纯净的介质中。原因是介质 中分子密度中分子密度 起伏破坏了介质的均匀性而导致。起伏破坏了介质的均匀性而导致。第5页，本讲稿共13页32 散射定律散射定律1正常传播方向上的光强正常
5、传播方向上的光强 因为散射分散了正常传播方向上的光能量，表现因为散射分散了正常传播方向上的光能量，表现为正常传播方向上光强的减弱，故可用朗伯定律为正常传播方向上光强的减弱，故可用朗伯定律描述：描述：s称散射系数。出射光仍为自然光。称散射系数。出射光仍为自然光。2散射光光强散射光光强 设观察方向与正常传播方向之间的夹角为设观察方向与正常传播方向之间的夹角为 ，散射，散射光强为光强为第6页，本讲稿共13页33 瑞利定律瑞利定律实验表明：散射光中各种波长的能量不是均匀分布实验表明：散射光中各种波长的能量不是均匀分布的，短波占有明显优势，即有的，短波占有明显优势，即有 的关系成立，的关系成立，这个关系
6、称为瑞利定律。这个关系称为瑞利定律。光的性质由光的性质由 角的变化而变为偏振度不同的偏振光；角的变化而变为偏振度不同的偏振光；当当=90时为平面偏振光，其余方向为部分偏振时为平面偏振光，其余方向为部分偏振光。光。第7页，本讲稿共13页定义：光通过介质时，传播速度随频率而变化，因定义：光通过介质时，传播速度随频率而变化，因 而不同波长的光具有不同的折射率值的现而不同波长的光具有不同的折射率值的现 象。象。4 4 光的色散光的色散由此可得由此可得 n 与频率与频率 、波长波长 无关。无关。41 色散现象与经典电磁理论的矛盾色散现象与经典电磁理论的矛盾由麦克斯韦方程组可得由麦克斯韦方程组可得第8页，
7、本讲稿共13页物质的色散特性可用角色散率物质的色散特性可用角色散率D描述：描述：对棱镜对棱镜 表征表征 关系的存在，即表征物质的色散关系的存在，即表征物质的色散特性。特性。色散现象的客观存在说明了电磁理论存在缺陷。只有在深入研色散现象的客观存在说明了电磁理论存在缺陷。只有在深入研究物质原子结构的基础上，才能解释折射率随频率变化的原因。究物质原子结构的基础上，才能解释折射率随频率变化的原因。第9页，本讲稿共13页42 色散曲线和光谱色散曲线和光谱实验中用正交棱镜观察法测量色散曲线，参见图实验中用正交棱镜观察法测量色散曲线，参见图612。对棱镜有最小偏向角对棱镜有最小偏向角 0可表示谱线的移动距离
8、，即谱线可表示出可表示谱线的移动距离，即谱线可表示出 n 之之间的关系。间的关系。实验中通过测定不同波长的光对应的实验中通过测定不同波长的光对应的 0，得出得出 n 关系，即为色散曲线。关系，即为色散曲线。第10页，本讲稿共13页光谱图光谱图611：特点：特点：1 光谱线是非均匀排布的。光谱线是非均匀排布的。2 短波段的角色散率比长波段的大（可比较短波段的角色散率比长波段的大（可比较 a、c）。）。3 折射率大则角色散率大，光谱就展开的宽折射率大则角色散率大，光谱就展开的宽 （可比较（可比较a、b）。）。色散曲线图色散曲线图614：特点：特点：1 随波长值变大，折射率值减小。随波长值变大，折射
9、率值减小。2 短波段色散曲线斜率较大，角色散率较短波段色散曲线斜率较大，角色散率较 大。大。3 波长一定时，介质的折射率越大，则色散波长一定时，介质的折射率越大，则色散 曲线的斜率越大。曲线的斜率越大。第11页，本讲稿共13页43 色散类型及方程色散类型及方程1正常色散正常色散 特点：当波长特点：当波长 变大时，折射率值变大时，折射率值 n 变小，角色散变小，角色散率率D变小。变小。一切无色透明介质在可见光区域均表现为正常色散。一切无色透明介质在可见光区域均表现为正常色散。描述正常色散时描述正常色散时n 与与 关系的经验公式为科希方程：关系的经验公式为科希方程：a、b、c为由介质特性决定的常数
10、，由实验得出。为由介质特性决定的常数，由实验得出。当波长间隔不大时，科希方程可取近似形式：当波长间隔不大时，科希方程可取近似形式：第12页，本讲稿共13页2反常色散反常色散在某些波长段会出现波长变大，折射率值增大的现在某些波长段会出现波长变大，折射率值增大的现象，这称为反常色散。象，这称为反常色散。反常色散同样是物质的普遍性质。反常色散与选择吸反常色散同样是物质的普遍性质。反常色散与选择吸收密切相关，即发生于物质的选择吸收波段附近。收密切相关，即发生于物质的选择吸收波段附近。描述反常色散下描述反常色散下 n 与与 关系的经验公式为塞耳迈耳关系的经验公式为塞耳迈耳方程：方程：由此式得由此式得 当当 0时，时，n，这是一个缺陷。，这是一个缺陷。由上两式可得：由上两式可得：，与正常色散曲线、与正常色散曲线、光谱的特点相吻合。光谱的特点相吻合。第13页，本讲稿共13页