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1、第6章 光的吸收、散射和色散几何光学和波动光学探讨了物的成像和光的干涉、衍射几何光学和波动光学探讨了物的成像和光的干涉、衍射,(,(各各向同性均匀媒质中光的传播向同性均匀媒质中光的传播););光在各向异性媒质中的传播，主要是光在单轴晶体内的传播，光在各向异性媒质中的传播，主要是光在单轴晶体内的传播，如双折射现象，光学偏振器，波片等；如双折射现象，光学偏振器，波片等；共同的特点共同的特点：光在光在介介质内传播的过程中，不存在能量的损失质内传播的过程中，不存在能量的损失实际上，由于光在实际上，由于光在传播过程中与介质的相互作用传播过程中与介质的相互作用，还会使，还会使光的特性发生某些变化。光的特性
2、发生某些变化。因介质对光波的因介质对光波的吸收吸收,会使光强度减弱会使光强度减弱;不同波长的光在不同波长的光在介质中传播速度不同介质中传播速度不同,并按不同的折射角散开，会发生并按不同的折射角散开，会发生光的光的色散色散;光在介质中传播时光在介质中传播时,会产生会产生散射散射。光的吸收、色散和散射是光在介质中传光的吸收、色散和散射是光在介质中传播所发生的普遍现象，它们之间是相互播所发生的普遍现象，它们之间是相互联系的。联系的。一方面可以了解光与物质的相互作用，有助于对光的本性的进一步了解，可以得到许多有关物质结构的重要知识，促进应用光学的进一步发展。本章只介绍光与介质相互作用的本章只介绍光与介
3、质相互作用的经典理论经典理论，对于处理，对于处理光与介质相互作用的严格理论光与介质相互作用的严格理论量子理论量子理论，因超出本，因超出本教材的要求教材的要求,不予讨论。不予讨论。麦克斯韦电磁理论的麦克斯韦电磁理论的最重要成就之一就是将电磁现最重要成就之一就是将电磁现象与光现象联系起来象与光现象联系起来，利用这个理论正确地说明了，利用这个理论正确地说明了光在介质中传播时的许多重要性质。光在介质中传播时的许多重要性质。麦克斯韦电磁理论在说明光的传播现象时麦克斯韦电磁理论在说明光的传播现象时,对介质的对介质的本性作了本性作了过于粗略的假设过于粗略的假设,即把介质看成是连续的结即把介质看成是连续的结构
4、，在解释光的色散现象时遇到了困难。构，在解释光的色散现象时遇到了困难。在此，只介绍在此，只介绍洛仑兹提出的电子论洛仑兹提出的电子论,利用这种建立在利用这种建立在经典理论基础上的电子论来解释光的吸收、色散和经典理论基础上的电子论来解释光的吸收、色散和散射，虽然比较散射，虽然比较粗浅粗浅，却能定性地说明问题。，却能定性地说明问题。洛仑兹的电子论假定洛仑兹的电子论假定:组成介质的原子或分子内的带组成介质的原子或分子内的带电粒子被准弹性力保持在它们的电粒子被准弹性力保持在它们的平衡位置附近平衡位置附近,并且并且具有一定的固有振动频率。具有一定的固有振动频率。在入射光的作用下，在入射光的作用下，介质发生
5、极化介质发生极化、带电粒子依入射、带电粒子依入射光频率作强迫振动。光频率作强迫振动。由于带正电荷的原子核质量比电子大许多倍由于带正电荷的原子核质量比电子大许多倍,可视正可视正电荷中心不动电荷中心不动,而负电荷相对于正电荷作振动而负电荷相对于正电荷作振动。正。正,负负电荷电量的绝对值相同，电荷电量的绝对值相同，构成了一个电偶极子构成了一个电偶极子。q 是电荷电量是电荷电量,r 是从负电荷中心指向正电荷中心的是从负电荷中心指向正电荷中心的矢径矢径。+电偶极矩为电偶极矩为同时同时,这个电偶极子将辐射次波。利用这种这个电偶极子将辐射次波。利用这种极化和辐极化和辐射过程射过程，可以描述光的吸收、色散和散
6、射。，可以描述光的吸收、色散和散射。6.1电偶极辐射对反射和折射现象的解释电偶极辐射对反射和折射现象的解释1电偶极子模型 光通过物质时，物质中的原子、离子或分子的电荷在入射光电矢量作用下做受迫振动。光是电磁波（E电矢量）分子、原子（p-电偶极子）电磁辐射受迫振动R代表观察者离偶极子距离光通过物质时，各分子将依次按入射光到到达该分子时的相位做受迫振动。做受迫振动的各分子将依次发出次级电磁波。能初步解释直线传播、折射和反射等现象。为10-5cm，即=103l 在均匀物质中，分子排列十分有规律，相位做受迫振动且发出次级电磁波。这些次级电磁波彼此间保持一定的相位关系。和惠更斯菲涅耳原理中的次波有完全相
7、同的性质。因为分子线度 l 为10-8cm，光的波长6.2光的吸收当光波在媒质中传播时，由于光波和物质的相互作用，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折射现象；另一种是光能减弱的消光消光现象。消光现象现象。消光现象中，将光能转换成其它形式的能量，是中，将光能转换成其它形式的能量，是吸收吸收现象；而现象；而有部分光波沿其它方向传播，是有部分光波沿其它方向传播，是散射散射现象。对于沿原现象。对于沿原方向传播的光波来说，这两种现象都使光能减弱，起方向传播的光波来说，这两
8、种现象都使光能减弱，起消光作用。消光作用。光吸收是介质的普遍性质，除了真空，没有一种介质光吸收是介质的普遍性质，除了真空，没有一种介质能对能对任何波长的光波都是完全透明的任何波长的光波都是完全透明的，只能是对某些，只能是对某些波长范围内的光透明，对另一些范围的光不透明。波长范围内的光透明，对另一些范围的光不透明。所谓透明，所谓透明，并非没有吸收，只是吸收较少并非没有吸收，只是吸收较少。所以确。所以确切地说切地说,石英对可见光吸收很少，而对石英对可见光吸收很少，而对(3.55.0)m的红外光有强烈的吸收。的红外光有强烈的吸收。在某一波长范围内，若某种媒质对于通过它的各种在某一波长范围内，若某种媒
9、质对于通过它的各种波长的光波都作等量波长的光波都作等量(指能量指能量)吸收，且吸收量很小，吸收，且吸收量很小，则称这种媒质具有则称这种媒质具有一般吸收性一般吸收性。光通过呈现一般吸收性的媒质时，光波几乎都能光通过呈现一般吸收性的媒质时，光波几乎都能从媒质透射，因此又可说媒质对这一波长范围的光从媒质透射，因此又可说媒质对这一波长范围的光是透明的。是透明的。通常所说的通常所说的透明体透明体，如玻璃、水晶，是指对白光，如玻璃、水晶，是指对白光呈现一般吸收性。呈现一般吸收性。一般吸收一般吸收(nm)I(a.u.)样样品品(nm)I(a.u.)从媒质的吸收光谱中，可以得知媒质对哪些波长的光具从媒质的吸收
10、光谱中，可以得知媒质对哪些波长的光具有选择吸收性。一般地讲，固体和液体选择吸收的波长有选择吸收性。一般地讲，固体和液体选择吸收的波长范围较宽，称之为范围较宽，称之为吸收带吸收带；而稀薄气体选择吸收的波长；而稀薄气体选择吸收的波长范围很窄，表现为范围很窄，表现为吸收线吸收线。若媒质吸收某种波长的光能比较显著，则称它具有若媒质吸收某种波长的光能比较显著，则称它具有选选择吸收性择吸收性。如果不把光局限于可见光范围以内，可以。如果不把光局限于可见光范围以内，可以说说一切物质都具有一般吸收和选择吸收两种特性一切物质都具有一般吸收和选择吸收两种特性。选择吸收选择吸收选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因选择吸
11、收性是物体呈现颜色的主要原因。例如，绿色玻。例如，绿色玻璃是把入射的白色光中其它颜色的光吸收掉，只剩下绿璃是把入射的白色光中其它颜色的光吸收掉，只剩下绿色光能够透过去。带色物体一般有色光能够透过去。带色物体一般有体色体色和和表面色表面色区分。区分。大多数天然物质如颜料、花等的颜色都是由于光入射大多数天然物质如颜料、花等的颜色都是由于光入射物体内部成分不同而形成的，所以叫作物体内部成分不同而形成的，所以叫作体色体色，呈现体，呈现体色物体的透射光和反射光的颜色是一样的。色物体的透射光和反射光的颜色是一样的。有一些物质，特别是金属，对于某种颜色光的反射率有一些物质，特别是金属，对于某种颜色光的反射率
12、特别强，于是被它们反射的光就呈现这种颜色，而由特别强，于是被它们反射的光就呈现这种颜色，而由它们透射的光是这种颜色的互补色（某种颜色和它的它们透射的光是这种颜色的互补色（某种颜色和它的互补色混合后是白色）。互补色混合后是白色）。例如，被金黄薄膜反射的光呈现黄色，由它们透射的例如，被金黄薄膜反射的光呈现黄色，由它们透射的光则是绿色。光则是绿色。这类物体的颜色是由于物体表面的选择反射而形成的，这类物体的颜色是由于物体表面的选择反射而形成的，所以叫所以叫表面色表面色。被不具有选择反射性表面所反射的光。被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，而啤酒本仍呈现白色。例如，啤酒
13、的泡沫呈现白色，而啤酒本身却是深黄色。身却是深黄色。光谱中的每一种颜色都是光谱中的每一种颜色都是纯色纯色。实际生活中，有许多颜色在光谱中并不存在。实际生活中，有许多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，再用分光仪的颜色。令白色光透射高锰酸钾溶液后，再用分光仪检查，可发现这种溶液能完全吸收光谱中的各色光，检查，可发现这种溶液能完全吸收光谱中的各色光，而能透射光谱两端的红色光和紫色光。而能透射光谱两端的红色光和紫色光。事实上，纯色是很少看到的，绝大多数物体的颜色通事实上，纯色是很少看到的
14、，绝大多数物体的颜色通常是常是混合色混合色。各色光的混合与不同颜色的漆和颜料混合后各色光的混合与不同颜色的漆和颜料混合后显示的颜色是不同的。显示的颜色是不同的。黄色光和它的互补色黄色光和它的互补色蓝色光混合后得到的是白蓝色光混合后得到的是白色光。色光。黄色颜料和蓝色颜料混合时，却要显示绿色。黄色颜料和蓝色颜料混合时，却要显示绿色。蓝色颜料能够全部吸收红、黄各色光，反射蓝、绿各色光。蓝色颜料能够全部吸收红、黄各色光，反射蓝、绿各色光。而黄色颜料能够全部吸收蓝、紫各色光，反射红、黄、绿各而黄色颜料能够全部吸收蓝、紫各色光，反射红、黄、绿各色光。因而这两种颜料混合起来只能反射绿色光，故显示绿色光。因
15、而这两种颜料混合起来只能反射绿色光，故显示绿色。色。透明物体的透明物体的颜色色v透明物体的透明物体的颜色是由它色是由它透透过的的色光决定的。色光决定的。红玻璃只透过红光红玻璃只透过红光红纸只反射红光红纸只反射红光蓝玻璃只透过蓝光蓝玻璃只透过蓝光绿纸只反射绿光绿纸只反射绿光不透明物体的不透明物体的颜色色v不透明物体的不透明物体的颜色是由它色是由它反射反射的色光决定的的色光决定的色光的混合色光的混合v色光的三基色：色光的三基色：红、绿、蓝。电视电视、电影电影都是都是根据根据色光三色光三基基色所色所制制成。成。红红+绿绿=黄黄红红+蓝蓝=品红品红绿绿+蓝蓝=青（靛）青（靛）红红+绿绿+蓝蓝=白白绘画
16、绘画時用三原色就可時用三原色就可调调出出大部分色彩。大部分色彩。1、颜、颜料三原色料三原色 红红、黃黃、蓝蓝颜料的混合颜料的混合红红+蓝蓝=紫色紫色黄黄+红红=橙橙黄黄+蓝蓝=绿绿红红+黃黃+蓝蓝=黑黑色光色光红红、绿绿、蓝蓝 颜料颜料红红、黃黃、蓝蓝色光的三原色与颜料的三原色不同色光的三原色与颜料的三原色不同色光的混合与颜料的混合规律也不同吸收定律吸收定律1729年，根据实验建立一个吸收年，根据实验建立一个吸收定律，后来，定律，后来，J.H.LambernJ.H.Lambern（17601760）又作了理）又作了理论上的证明。论上的证明。如图所示，设光强为如图所示，设光强为 的平行光束进入均
17、匀物质中一段距的平行光束进入均匀物质中一段距离离 后，强度已渐弱到后，强度已渐弱到 ，再通过一无限薄层，再通过一无限薄层 时强度时强度又增加了又增加了 （）。）。朗伯朗伯(J.H.Lambert)(J.H.Lambert)假设：光在假设：光在同一吸收物质内通过同一距离后，光能量中将有同样百分比同一吸收物质内通过同一距离后，光能量中将有同样百分比的能量被该层物质所吸收。的能量被该层物质所吸收。或或 也叫作吸收物质的也叫作吸收物质的吸收率吸收率，它表明吸收物质，它表明吸收物质的单位厚度所吸收的入射光强的分数。负号表的单位厚度所吸收的入射光强的分数。负号表明通过吸收层后，明通过吸收层后，是减弱的。是
18、减弱的。将上式积分，并考虑到在均匀媒介中将上式积分，并考虑到在均匀媒介中 是常数，可得是常数，可得可定义可定义 为吸收系数为吸收系数当光通过稀溶液时，光被溶解在透明溶剂中的物质的吸收量当光通过稀溶液时，光被溶解在透明溶剂中的物质的吸收量与溶液内单位长度光程上的吸收分子数目成正比。因为单位与溶液内单位长度光程上的吸收分子数目成正比。因为单位长度上吸收分子的数目与溶液的浓度长度上吸收分子的数目与溶液的浓度C C成正比，所以吸收率成正比，所以吸收率 也就与浓度也就与浓度C C成正比，即成正比，即它表明光的强度随它表明光的强度随按负指数减弱。物质的吸收率取决于该物按负指数减弱。物质的吸收率取决于该物质
19、的性质，并与波长有关，而与入射光的强度及物质的厚度无关。质的性质，并与波长有关，而与入射光的强度及物质的厚度无关。实验证实，当光的强度变化了实验证实，当光的强度变化了10 02020倍时，此式仍是适用的。倍时，此式仍是适用的。朗伯定律朗伯定律实验表明实验表明代入上式，吸收定律可写成代入上式，吸收定律可写成A.BeerA.Beer定律定律式中式中也是一个系数，它的数值仅仅取决于吸收媒质分也是一个系数，它的数值仅仅取决于吸收媒质分子的特征，而与溶液的浓度无关。子的特征，而与溶液的浓度无关。但需指出，只有当溶液里的分子特性不因它的邻近分子的存在但需指出，只有当溶液里的分子特性不因它的邻近分子的存在而
20、发生变化时，而发生变化时，BeerBeer定律才能适用，并可用以测量溶液的浓度。定律才能适用，并可用以测量溶液的浓度。在很浓的溶液里，分子间相互作用的影响颇强，在很浓的溶液里，分子间相互作用的影响颇强，BeerBeer定律不再定律不再适用，但适用，但朗伯朗伯吸收定律仍然适用。吸收定律仍然适用。vv在非线性光学领域里，吸收系数依赖于在非线性光学领域里，吸收系数依赖于光的强度，朗伯定律不再成立。光的强度，朗伯定律不再成立。当白光射到红玻璃上时，只有红光能够透过，我们当白光射到红玻璃上时，只有红光能够透过，我们看到它呈看到它呈红色红色。如果红玻璃用绿光照射，玻璃看起。如果红玻璃用绿光照射，玻璃看起来
21、将是来将是黑色黑色。例如，在可见光范围内，一般的光学玻璃吸收都较例如，在可见光范围内，一般的光学玻璃吸收都较小，且不随波长变化，小，且不随波长变化，属一般性属一般性吸收，而有色玻璃吸收，而有色玻璃则具有则具有选择性选择性吸收。吸收。普通光学材料在可见光区都是相当透明的，它们对各普通光学材料在可见光区都是相当透明的，它们对各种波长的种波长的可见光都吸收很少可见光都吸收很少。但是在紫外和红外光区。但是在紫外和红外光区,它们则表现出不同的选择性吸收。它们则表现出不同的选择性吸收。在制造光学仪器时在制造光学仪器时,必须考虑光学材料的吸收特性。必须考虑光学材料的吸收特性。例如，紫外光谱仪中的棱镜、透镜需
22、用例如，紫外光谱仪中的棱镜、透镜需用石英石英制作制作,而而红外光谱仪中的棱镜、透镜则需用红外光谱仪中的棱镜、透镜则需用萤石萤石等晶体制作。等晶体制作。几种光学材料的几种光学材料的透光波段透光波段光学材料光学材料波长范围波长范围/nm光学材料光学材料波长范围波长范围/nm冕牌玻璃冕牌玻璃3502000萤石萤石(GaF2)1259500火石玻璃火石玻璃3802500岩盐岩盐(NaCl)17514500石英玻璃石英玻璃1804000氯化钾氯化钾(KCl)18023000吸收率吸收率 数值的大小，可用以说明光波通过物质时光强损失的数值的大小，可用以说明光波通过物质时光强损失的多少。所损失的光强会转变成
23、物质中的分子的热运动。此外，多少。所损失的光强会转变成物质中的分子的热运动。此外，当光波通过物质时所发生的向四方散射现象，也会使光波沿人当光波通过物质时所发生的向四方散射现象，也会使光波沿人射方向损失部分光强。可见射方向损失部分光强。可见 应反映两种因素应反映两种因素吸收和散射吸收和散射的作用。在大多数情况下，这两种因素中的一个往住比另的作用。在大多数情况下，这两种因素中的一个往住比另一个小很多，可忽略不计。但我们应当认识到，这两种因素的一个小很多，可忽略不计。但我们应当认识到，这两种因素的作用是同时存在的，而且这两种作用有时还是同等重要的。由作用是同时存在的，而且这两种作用有时还是同等重要的
24、。由于吸收和散射都起消光作用，因此在普遍情况下，可写出消光于吸收和散射都起消光作用，因此在普遍情况下，可写出消光定律定律这里这里 和和 分别是吸收率和散射率。分别是吸收率和散射率。发射光谱和吸收光谱发射光谱和吸收光谱1.光谱形式光谱形式发射光谱发射光谱:物质在高温下发射光的光谱物质在高温下发射光的光谱稀薄原子气体稀薄原子气体线状谱线状谱吸收光谱吸收光谱：入射光连续谱背景上出现一条条暗线或者暗带：入射光连续谱背景上出现一条条暗线或者暗带分子气体，液，固分子气体，液，固带状谱带状谱吸收光谱中的暗线（带）吸收光谱中的暗线（带）一一对应一一对应发射光谱中的亮线（带）发射光谱中的亮线（带）某材料在较低温
25、下吸收某波长的光，某材料在较低温下吸收某波长的光，它在高温下也辐射该波长的光它在高温下也辐射该波长的光发射光谱发射光谱,吸收光谱及其对应关系吸收光谱及其对应关系(a)白光的连续光谱白光的连续光谱;(b)高温气体发射的线状谱高温气体发射的线状谱;(c)白光连续光谱背景下低温气体的吸收谱白光连续光谱背景下低温气体的吸收谱.(a)(b)(c)吸收光谱吸收光谱 介质的吸收系数及随光波长的变化关系曲线称为该介介质的吸收系数及随光波长的变化关系曲线称为该介质的质的吸收光谱吸收光谱。光源光源吸收物质吸收物质分光仪分光仪使一束连续光谱的光通过有选择性吸收的介质，再通使一束连续光谱的光通过有选择性吸收的介质，再
26、通过分光仪，即可测出在某些波段上或某些波长上的光过分光仪，即可测出在某些波段上或某些波长上的光被吸收，被吸收，形成吸收光谱形成吸收光谱。气体吸收光谱的气体吸收光谱的特点特点是：吸收光谱是清晰、狭窄的吸是：吸收光谱是清晰、狭窄的吸收线收线,吸收线的位置正好是该气体发射光谱线的位置。吸收线的位置正好是该气体发射光谱线的位置。598.59588.99330.29330.23285.30285.28/nm对于对于单原子气体单原子气体,这种狭窄吸收线的特点更为明显这种狭窄吸收线的特点更为明显.例例如氦、氖等惰性气体及钠等碱金属蒸气的吸收光谱。如氦、氖等惰性气体及钠等碱金属蒸气的吸收光谱。气体吸收的另一个
27、主要特点是吸收和气体的气体吸收的另一个主要特点是吸收和气体的压力、压力、温度、密度温度、密度有关，一般是气体密度愈大，它对光的有关，一般是气体密度愈大，它对光的吸收愈严重。吸收愈严重。由于这种吸收带特征决定于组成气体的分子，它反由于这种吸收带特征决定于组成气体的分子，它反映了分子的特性，所以可由吸收光谱研究映了分子的特性，所以可由吸收光谱研究气体分子气体分子的结构的结构。对于固体和液体，它们对光吸收的特点主要是具有对于固体和液体，它们对光吸收的特点主要是具有很宽的吸收带很宽的吸收带。固体材料的吸收系数主要是随入射。固体材料的吸收系数主要是随入射光波长变化，其它因素的影响较小。光波长变化，其它因
28、素的影响较小。激光工作物质激光工作物质YAG的吸收光谱的吸收光谱/nm1.00 0.660.50 0.40 0.330.28 0.25对一种材料吸收光谱的测量，是了解该材料特性的对一种材料吸收光谱的测量，是了解该材料特性的重重要手段要手段。例如。例如,地球大气对可见光、紫外光是透明的地球大气对可见光、紫外光是透明的,但对红外光的某些波段有吸收。但对红外光的某些波段有吸收。透明的波段称为透明的波段称为“大气窗口大气窗口”,充分地研究大气的光充分地研究大气的光学性质与学性质与“窗口窗口”的关系的关系,有助于有助于红外导航、跟踪红外导航、跟踪等等工作的进行。工作的进行。0204060801000.7
29、20.94 1.13 1.38 1.90 2.74.36.015.0/m透透过过率率/%如图所示，波段从如图所示，波段从 1m到到 15m有有七个七个“窗窗口口”。地球周围是厚达约地球周围是厚达约 1000公里公里的大气层。大气层由的大气层。大气层由氮、氧、二氧化碳、臭氧及其它稀有气体和水气、氮、氧、二氧化碳、臭氧及其它稀有气体和水气、尘埃组成。尘埃组成。较强的较强的水汽吸收水汽吸收带位于带位于:0.710.735m,0.810.84m,0.890.99m,1.071.20m,1.31.5m,1.72.0m,2.43.3m,4.88.0m。二氧化碳吸收二氧化碳吸收带位于带位于:13.517m。
30、臭氧吸收带臭氧吸收带位于位于:9.5m附近附近。由于太阳四周大气中的不同元素吸收不同波长的辐由于太阳四周大气中的不同元素吸收不同波长的辐射射,因而在连续光谱的背景上呈现出因而在连续光谱的背景上呈现出一条条黑的吸收一条条黑的吸收线线,如图所示。如图所示。夫朗和费夫朗和费首先发现首先发现,并以字母标志了主要的吸收线。并以字母标志了主要的吸收线。符号符号波长波长/nm吸收元素吸收元素符号符号波长波长/nm 吸收元素吸收元素ABCD1D2D3E3759.4762.1636.8688.4656.282589.592588.995587.552526.954OOHNaNaHeFeE1FGGHK518.36
31、2486.133430.791430.774466.273396.849393.368MgHFeCaCaCaCa它们的波长及太阳大气中存在的相应吸收元素的关系如下：它们的波长及太阳大气中存在的相应吸收元素的关系如下：光的散射光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向,向向四周散射的现象，四周散射的现象，叫光的散射叫光的散射。散射和吸收散射和吸收：由于光的散射是将光能散射到其它方：由于光的散射是将光能散射到其它方向上，而光的吸收则是将光能转化为其它形式的能向上，而光的吸收则是将光能转化为其它形式的能量，所以从本质上说二者不同。量，所以从本质上说二者不同。
32、但是在实际测量时，但是在实际测量时，很难区分开它们很难区分开它们对透射光强的对透射光强的影响。因此，在实际工作上通常都将这两个因素的影响。因此，在实际工作上通常都将这两个因素的影响考虑在一起影响考虑在一起。这里这里 和和 分别是吸收率和散射率。分别是吸收率和散射率。光通过介质时，介质中原子（分子）或杂质粒子可看作次光通过介质时，介质中原子（分子）或杂质粒子可看作次波源散射出次波波源散射出次波.对对完全均匀介质完全均匀介质，除原方向光干涉相长，其他方向的光干，除原方向光干涉相长，其他方向的光干涉相消，无散射涉相消，无散射.对对非均匀介质非均匀介质，各次波源振幅、相位无规则变化，除原光，各次波源振
33、幅、相位无规则变化，除原光方向外，其他方向亦有光，即发生散射方向外，其他方向亦有光，即发生散射.散射、衍射散射、衍射散射、衍射散射、衍射和反射和反射和反射和反射一、非均匀介质中散射的经典图象一、非均匀介质中散射的经典图象光学性质的不均匀可能是因为在均匀媒质中存在折射率与它不光学性质的不均匀可能是因为在均匀媒质中存在折射率与它不同的杂质微粒，即混浊媒介，如含有尘埃的空气，散布着微小同的杂质微粒，即混浊媒介，如含有尘埃的空气，散布着微小水滴的空气水滴的空气雾，悬浮液，乳状液等。雾，悬浮液，乳状液等。这些杂志微粒作为次这些杂志微粒作为次波源，其本身的线度比光的波长小，各个粒子之间的间隔都比波源，其本
34、身的线度比光的波长小，各个粒子之间的间隔都比光波波长大得多，而且它们都是漫无规律地随机分布的，所以光波波长大得多，而且它们都是漫无规律地随机分布的，所以各次波之间没有固定的位相关系，这些次波的叠加是非相干叠各次波之间没有固定的位相关系，这些次波的叠加是非相干叠加，不会出现干涉相消的现象，因而出现向各个方向传播的散加，不会出现干涉相消的现象，因而出现向各个方向传播的散射光。射光。二、散射与反射、漫射和衍射现象的区别二、散射与反射、漫射和衍射现象的区别（1）散射与直射、反射和折射的区别）散射与直射、反射和折射的区别由于由于“次波次波”发射中心的排列不同，散射时是无规则的，而发射中心的排列不同，散射
35、时是无规则的，而在直射、反射和折射时是有规则的，且物体的线度远大于波在直射、反射和折射时是有规则的，且物体的线度远大于波长。长。（注意：所谓规则是相对光的波长而言）（注意：所谓规则是相对光的波长而言）（2）散射与光的漫反射的区别）散射与光的漫反射的区别实际的镜面都不是理想的镜面，因而会产生光的漫反射。这时，可实际的镜面都不是理想的镜面，因而会产生光的漫反射。这时，可认为反射光束是许多小镜面的反射光的叠加。每一小镜面上不规则认为反射光束是许多小镜面的反射光的叠加。每一小镜面上不规则的凹凸部分的线度比光的波长小，因而衍射现象可以忽略不计，但的凹凸部分的线度比光的波长小，因而衍射现象可以忽略不计，但
36、每一小镜面的线度则远大于光的波长，因此光从这些每一小镜面的线度则远大于光的波长，因此光从这些“镜面镜面”反射反射时仍然可以认为遵从反射定律，只是这些小时仍然可以认为遵从反射定律，只是这些小“镜面镜面”的法线方向是的法线方向是杂乱无章的。尽管如此，由于各次波中心的排列仍有某些不同的方杂乱无章的。尽管如此，由于各次波中心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，所以漫反射和散射是不同的。向性，从侧面看，有些地方看不见光，所以漫反射和散射是不同的。衍射是有个别的不均匀区域造成的，这些不均匀区域的大小一衍射是有个别的不均匀区域造成的，这些不均匀区域的大小一般可与光的波长相比拟；而散射则是
37、由于大量排列不规则的非般可与光的波长相比拟；而散射则是由于大量排列不规则的非均匀的小均匀的小“区域区域”的集合造成的，这些非均匀小的集合造成的，这些非均匀小“区域区域”的线的线度一般比波长小。对每一个这种小度一般比波长小。对每一个这种小“区域区域”，虽也有衍射发生，虽也有衍射发生，但由于不规则的排列而相互发生不相干的叠加，所以就整体而但由于不规则的排列而相互发生不相干的叠加，所以就整体而言，观察不到衍射现象。言，观察不到衍射现象。（3）散射与衍射的区别）散射与衍射的区别根据散射光的波矢根据散射光的波矢K 和波长的变化与否，将散射分和波长的变化与否，将散射分为为两大类两大类：一类散射是散射一类散
38、射是散射光波矢光波矢 K 变化，但波长不变化变化，但波长不变化(瑞瑞利散射，米氏散射和分子散射利散射，米氏散射和分子散射)；另一类是散射另一类是散射光波矢光波矢 K 和波长均变化和波长均变化(喇曼散射，喇曼散射，布里渊散射布里渊散射等等)。光散射的分类光散射的分类光散射的分类光散射的分类 瑞利散射瑞利散射有些光学有些光学不均匀性十分显著的介质不均匀性十分显著的介质能够产生强烈的能够产生强烈的散射现象，这类介质一般称为散射现象，这类介质一般称为“浑浊介质浑浊介质”。亭达尔亭达尔等人最早对浑浊介质的散射进行了大量的等人最早对浑浊介质的散射进行了大量的实验研究实验研究,尤其是微粒线度比光波长小尤其是
39、微粒线度比光波长小,即不大于即不大于(1/51/l0)的浑浊介质。的浑浊介质。亭达尔从实验上总结出了一些规律，因此，这一类亭达尔从实验上总结出了一些规律，因此，这一类现象叫现象叫亭达尔效应亭达尔效应。这些规律其后为瑞利在理论上。这些规律其后为瑞利在理论上说明，所以又叫说明，所以又叫瑞利散射瑞利散射。瑞利散射的瑞利散射的主要特点主要特点：散射光强度与入射光波长的四次方散射光强度与入射光波长的四次方成反比成反比，即，即I()为相应于某一观察方向为相应于某一观察方向(与入射光方向成与入射光方向成角角)的的散射光强度。该式说明，散射光强度。该式说明，光波长愈短，其散射光强光波长愈短，其散射光强度愈大度
40、愈大，由此可以说明许多自然现象。，由此可以说明许多自然现象。天空为什么呈现蓝色呢天空为什么呈现蓝色呢?由瑞利散射定律可以看出在由瑞利散射定律可以看出在由大气散射的太阳光中，由大气散射的太阳光中，短波长光占优势短波长光占优势。红光波长红光波长(720nm)为紫光波长为紫光波长(400nm)的的1.8倍倍,因此紫光散射因此紫光散射强度约为红光的强度约为红光的(1.8)410倍倍。太阳散射光在大气层内层太阳散射光在大气层内层,蓝色的成分比红色多蓝色的成分比红色多,使天使天空呈蔚蓝色空呈蔚蓝色。为何正午的太阳基本上呈为何正午的太阳基本上呈白色白色,而旭日和夕阳却呈而旭日和夕阳却呈红色红色?正午的太阳正
41、午的太阳地球地球大气层大气层散射散射正午太阳直射正午太阳直射,穿过大气层穿过大气层厚度最小厚度最小,阳光中被散射阳光中被散射掉的短波成分不太多掉的短波成分不太多,因此基本上呈因此基本上呈白色或略带黄橙白色或略带黄橙色色。早晚的阳光斜射早晚的阳光斜射,穿过大气层的厚度比正午时穿过大气层的厚度比正午时厚得多厚得多,大气散射掉的短波成分大气散射掉的短波成分,透过长波成分，所以透过长波成分，所以旭日旭日和夕阳呈红色和夕阳呈红色。红光透过散射物的穿透力比蓝光强，所以在拍摄薄雾红光透过散射物的穿透力比蓝光强，所以在拍摄薄雾景色时，可在照相机物镜前加上景色时，可在照相机物镜前加上红色滤光片红色滤光片以获得更
42、以获得更清晰的照片。清晰的照片。红外线穿透力红外线穿透力比可见光强，常被用于远距离照相或比可见光强，常被用于远距离照相或遥感技术。遥感技术。散射光强度随观察方向变化。自然光入射时，散散射光强度随观察方向变化。自然光入射时，散射光强射光强 I()与与 (1+cos2)成正比成正比。入射光方向入射光方向观察方向观察方向散射光是偏振光（完全偏振光或部分偏振光）散射光是偏振光（完全偏振光或部分偏振光），该，该偏振光的偏振度与观察方向有关。偏振光的偏振度与观察方向有关。瑞利散射光的光强度角分布和偏振特性起因于散射瑞利散射光的光强度角分布和偏振特性起因于散射光是光是横电磁波。横电磁波。自然光沿自然光沿 x
43、 方向入射到介质的带电微粒方向入射到介质的带电微粒 e 上，上，使其使其作受迫振动作受迫振动。xzyPe图中的图中的入射光可分解入射光可分解为沿为沿 y 方向和方向和 z 方向的两个光方向的两个光振动，其振幅相等，振动，其振幅相等，AyAzA0。xzyPe假设考察位于假设考察位于 xey 面内的面内的 P 点，散射光方向点，散射光方向 eP与与入射光方向成入射光方向成 角，则其两个光振动分量的振幅分别角，则其两个光振动分量的振幅分别为为 AzAzA0和和 AyAycosA0cos。xzyPexyPAyAy散射光强度散射光强度 I()为为 入射光方向入射光方向观察方向观察方向由于散射光两个振动分
44、量的大小与散射方向有关由于散射光两个振动分量的大小与散射方向有关,所所以散射光的偏振态随散射方向不同而异以散射光的偏振态随散射方向不同而异。沿着入射光方向或逆着入射光方向，散射光为沿着入射光方向或逆着入射光方向，散射光为自然光自然光；在垂直入射光方向的在垂直入射光方向的 y 轴和轴和 z 轴上，散射光为轴上，散射光为线偏线偏振光振光；其余方向上的散射光，均为；其余方向上的散射光，均为部分偏振光部分偏振光。米氏散射米氏散射 当散射粒子的当散射粒子的尺寸接近或大于波长尺寸接近或大于波长时时,其散射规律与其散射规律与瑞利散射不同。瑞利散射不同。米氏米氏提出了悬浮微粒线度可与入射光波长相比拟时提出了悬
45、浮微粒线度可与入射光波长相比拟时的散射理论的散射理论，称为米氏散射，称为米氏散射。米氏散射的主要特点是：米氏散射的主要特点是：散射光强与偏振特性随散射光强与偏振特性随散射粒子的尺寸变化散射粒子的尺寸变化。散射光强随波长的变化规律是与波长散射光强随波长的变化规律是与波长 的的较低幂次较低幂次成反比成反比，即，即n1，2，3。N 的具体取值取决于微粒尺寸。的具体取值取决于微粒尺寸。散射光的散射光的偏振度随偏振度随 r/的增加而减小的增加而减小,这里这里 r 是是 散射粒子的线度，散射粒子的线度，是入射光波长。是入射光波长。随着悬浮微粒线度的增大，沿入射光方向的散射随着悬浮微粒线度的增大，沿入射光方
46、向的散射 光强将光强将大于大于逆入射光方向的散射光强。逆入射光方向的散射光强。米氏散射米氏散射 (Mie scattering)当微粒线度约为当微粒线度约为1/4波长时波长时,散射光强角分布如图所散射光强角分布如图所示示,此时此时 I()在在=0和和=处的差别尚不很明显处的差别尚不很明显。z当微粒线度继续增加时当微粒线度继续增加时,在在 0方向的散射光强明方向的散射光强明显占优势，并显占优势，并产生一系列次极大值产生一系列次极大值。z 米氏散射米氏散射 (Mie scattering)小水滴在可见光范围内产生的散射属于米氏散射小水滴在可见光范围内产生的散射属于米氏散射,其其散射光强与光波长关系
47、不大散射光强与光波长关系不大,所以所以云雾呈现白色云雾呈现白色。米氏散射米氏散射 (Mie scattering)分子散射分子散射 (Molecular scattering)光在浑浊介质中产生光在浑浊介质中产生瑞利散射和米氏散射之外，纯瑞利散射和米氏散射之外，纯净介质中也产生散射净介质中也产生散射。这就是在纯净这就是在纯净介质中，因分子热运动引起密度起伏介质中，因分子热运动引起密度起伏引起介质光学性质的非均匀所产生光的散射引起介质光学性质的非均匀所产生光的散射,称为称为分分子散射子散射。在临界点时在临界点时，气体密度起伏很大，可以观察到明显，气体密度起伏很大，可以观察到明显的分子散射，这种现
48、象称为的分子散射，这种现象称为临界乳光临界乳光。由于分子热运动产生的密度起伏所引起折射率不均匀由于分子热运动产生的密度起伏所引起折射率不均匀区域的线度比可见光波长小很多，所以分子散射中，区域的线度比可见光波长小很多，所以分子散射中，散射光强与散射角的关系与瑞利散射相同散射光强与散射角的关系与瑞利散射相同。分子散射分子散射 (Molecular scattering)光的色散彩虹是太阳光传播中被空气中的彩虹是太阳光传播中被空气中的水滴水滴色散色散而产生的。而产生的。光进入媒质后，光的传播速度要发生变化，因而光进入媒质后，光的传播速度要发生变化，因而光在两种媒质的界面处要发生折射。实验还表明，光在
49、两种媒质的界面处要发生折射。实验还表明，不同波长的光在同一媒介中的波速也是不同的，不同波长的光在同一媒介中的波速也是不同的，或者说折射率是波长的函数，即或者说折射率是波长的函数，即，因，因而各色光在折射时将折向不同的方向，这是而各色光在折射时将折向不同的方向，这是色散色散现象现象。白色光入射棱镜时，就能看到色散现象。白色光入射棱镜时，就能看到色散现象。n=n()观察色散现象的最简单方法是观察色散现象的最简单方法是利用棱镜的折射利用棱镜的折射。一种物质的全部色散曲线反常色散曲线：吸收区域内的色散曲线正常色散曲线：可见光区域附近色散曲线伍德实验正交棱镜观察法可见光区域附近色散曲线及其特点柯西公式色
50、散曲线通过狭缝通过狭缝 M 的白光经透镜的白光经透镜 L1后，成为平行光，该平后，成为平行光，该平行光经行光经 P1、P2及及 L2,会聚于屏会聚于屏 N 上。上。ML1L2P1P2Naba1b1光的色散光的色散 如果没有棱镜如果没有棱镜 P2，由于，由于P1棱镜的色散所引起的分光棱镜的色散所引起的分光作用，在光屏上将得到作用，在光屏上将得到水平方向水平方向的连续光谱的连续光谱ab。光的色散光的色散 ML1L2P1Nab如果放置棱镜如果放置棱镜 P2，则由，则由 P2的分光作用的分光作用,使得通过使得通过 P1的的每一条谱线部向下移动每一条谱线部向下移动。红红紫紫红红紫紫光的色散光的色散ML1