關于光的吸收散射和色散第一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日當光波在媒質中傳播時，由于光波和物質的相互作用，一般呈現兩種效應，一種是速度減慢引起的折射和雙折射現象；另一種是光能減弱的消光(extinction)現象。消光現象中，將光能轉換成其它形式的能量，是吸收(absorption)現象；而有部分光波沿其它方向傳播，是散射(scattering)現象。對于沿原方向傳播的光波來說，這兩種現象都使光能減弱，起消光作用。除真空外，任何介質對電磁波都不是絕對透明。這是由于光通過介質時光通過物質時其傳播情況就會發(fā)生變化：第二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日⒈光束越深入物質，強度將越減弱①光的能量被物質吸收——光的吸收②光向各個方向散射——光的散射。⒉光在物質中傳播的速度將小于真空中的速度且隨頻率而變化——光的色散?！夂臀镔|的相互作用是不同物質光學性質的主要表現——光的吸收、散射和色散都是由光和物質中的原子中電子的相互作用.第三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日一.電偶極子模型§6.1電偶極子輻射對反射和折射現象的解釋光照射物質時，策動物質中的電子和原子核振蕩，由于核的質量比電子重得多，故只考慮電子的振蕩．即:電偶極子振蕩．在經典理論中是不能完全正確地解釋光和物質相互作用關系，但是可以簡單而直觀說明有關物質光學性質的許多主要現象。l

r

q

+

q

-

q

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a

第四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日振蕩偶極子周圍的電磁場第五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日如圖：用球坐標來表示電偶極子向周圍輻射的電磁波的矢量關系，電偶極子的電矩矢量P沿著Z軸，沿任一方向(極角為θ)的波的電矢量E沿著經線，磁矢量H沿著緯線，各處的波都是平面偏振的．式中e為電子所帶的電量，z為電子離開原點的距離，ω為電子振動的圓頻率，并設正電荷靜止在坐標原點。在電動力學中，可以證明電偶極子所輻射的電磁波的電矢量和磁矢量的值各為:第六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日坡印廷矢量的絕對值為:(是電磁波能流密度矢量，叫做坡印廷矢量)坡印廷矢量的平均值(波的強度)R表示觀察者離偶極子的距離光在半徑為R的球面上各點的相位都相等，且相位較原點處落后了R/c但是振幅隨θ角而變，這就引起波的強度I(能流密度)在同一波面上的不均勻分布。如圖第七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日解釋1：均勻介質中的直線傳播定律.i.分子線度很?。╠~10-8cm,λ~10-5cm).在一個分子的不同部分上,入射光的位相差可以忽略不計.ii.分子作受迫振動ω，發(fā)出電磁波(偶極振子模型)iii.可證明.只要分子的密度是均勻的,次波相干迭加的結果只剩下遵從幾何光學規(guī)律的光線.沿其余的振動干涉相消

用半波帶概念.iv.用惠更斯—菲涅耳原理可解釋.但此處的“次波”有真實的振源.二.電偶極輻射對反射和折射現象的初步解釋

第八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日

解釋2：反射、折射定律解釋3：布儒斯特定律反射和折射是由于兩種介質界面上分子性質的不連續(xù)性而引起的。介質不同,輻射阻尼力不同,故在不同介質中有不同的波速（相速）造成合成波等相位面的改變.反射光：如圖：它表示在折射率為n2的介質中，一個分子電偶極子在E2的作用下，沿著平行于E2的Z軸方向做受迫振動時所輻射的“次波”，當反射光方向恰和Z軸平行，因而在這個方向上沒有“次波?！彼詻]有反射光。第九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日§6.2

光的吸收光通過介質時

①

光強度減小

散射吸收

②成彩色.色散

n(ω0,ω)(ω入射光頻率)

③速度變慢或彎曲.n

不同.出現折射和雙折射現象、反射

一、一般吸收和選擇吸收

1.一般吸收：在一定的波長范圍內，若某種媒質對于通過它的各種波長的光波都作等量(指能量)吸收且吸收量很小，則稱這種媒質具有一般吸收性．即

對各個波長的光,吸收都相同.

第十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日其特點：光波幾乎能透射，即通常的透明體2.選擇吸收：若媒質吸收某種波長的光能比較顯著，并且隨波長變化而劇烈變化。稱它具有選擇吸收。即對個別波長、波段的光,有強烈吸收.

任一物質對光的吸收都由這兩種吸收組成。選擇吸收性是物體呈現顏色的主要原因例如:綠色玻璃是把入射的白色光中的紅色光和藍色光吸收掉,只剩下綠色光能夠透射過去．帶色物體一般可區(qū)分為體色和表面色．第十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日大多數天然物質如顏料、花等的顏色都是在光入射物體內部相當深處的過程中，由于某些波長的光被選擇吸收后，使得物體呈現未被吸收的色光的顏色．體色：即物體的顏色是由于物體內部成分不同而形成的，所以叫作體色,呈現體色物體的透射光和反射光的顏色是一樣的．

表面色：物體的顏色是由于物體表面的選擇反射形成的，所以叫作表面色例如:被黃金薄膜反射的光呈現黃色，而由它們透射的光則是綠色．不具有選擇反射性表面所反射的光，仍呈現白色．例如，啤酒的泡沫呈現白色，而啤酒本身卻是深黃色．第十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日光譜色：光譜中的顏色，但是每一種的顏色都是純色

實際生活中：有許多種顏色在光譜中并不存在；例如，在光譜里找不出和高錳酸鉀溶液的紫紅色一樣的顏色．令白色光透射高錳酸鉀溶液后，再用分光儀檢查之，可發(fā)現這種溶液能完全吸收光譜中部的各色光而能透射光譜兩端的紅色光和紫色光，所以這種溶液所顯示的紫紅色正是紅色和紫色的混合色．玻璃：對可見光透明，對紫

外、紅外不透明(吸收)橡皮：對可見光不透明（吸收），對紅外光透明.混泥土：對可見光不透明（吸收），對無線電波透明.樹木:

對綠光反射，對其它光吸收.第十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日二、朗伯定律i.

對介質—遵從朗伯定律（或布格爾定律）.光能→振動能→平動能→熱能aa

吸收系數對空氣：

對玻璃：

ii.

對液體—遵從比爾定律條件：濃度較小，忽略分子間的相互作用.該定律僅適用于物質分子的本領不受其四周鄰近分子的影響的情況。第十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日例題玻璃的吸收系數為10-2cm-1,空氣的吸收系數為10-5cm-1,試問1cm厚的玻璃所吸收的光,相當于多厚空氣層所吸收的光?解:根據公式:I為光通過厚度為d的吸收層以后的光強,αa為吸收系數.同樣強度的光通過不同吸收物質的不同厚度,而產生相等的吸收的條件為:第十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日三、吸收光譜大氣窗口：1~15mm之間有7個，反映大氣中水蒸汽、二氧化碳和臭氧的含量.由于極少量混合物或化合物中原子含的變化，吸收系數會變化很大，可用檢測混合物中的微量元素.選擇

吸收的微觀解釋:入射光頻率與偶極振子固有頻率相同時產生共振吸收.(固有頻率對應原子能級)

產生連續(xù)光譜的光源所發(fā)出的光，通過有選擇吸收的介質后，用分光計可以看出某些線段或某些波長的光被吸收，這就形成了吸收光譜。第十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日太陽光穿入大氣層時被大氣吸收，水汽和二氧化碳在紅外區(qū)有強烈吸收，而臭氧則在紫外區(qū)有強烈吸收.第十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日到現在為止，我們已研究了光在各向同性介質與各向異性介質中的折射現象、反射現象、吸收現象。這些現象給我們提供了許多關于物質的結構和性質方面的知識。散射光的一切性質－它的光強、偏振與光譜成分，也都反映了散射介質的性質。研究光的散射現象可以使我們得到關于物質結構的豐富的知識。§6.3

光的散射

在均勻介質中,光能沿著折射光線方向傳播,在這種情形下,光朝各個方向散射是不可能的.因為光在均勻介質中傳播時,介質中偶極子發(fā)出的次波具有與入射光相同的頻率,并且由于偶極子之間有一定的位相關系,因而它們是相干光.第十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日散射的基本概念1.定義：當光束通過光學性質不均勻的物質時從側面可以看到光的現象，稱為光的散射。其特點:散射會使光在原傳播方向上的光強減弱，它遵守指數規(guī)律一、非均勻介質中散射的經典圖象介質的不均勻性，使介質粒子發(fā)出的次波，位相不恒定造成非相干迭加，在各處不會干涉相消，從而形成散射光.

穩(wěn)定非均勻介質

a不變,彈性散射(瑞利散射、米氏散射）

不穩(wěn)定非均勻介質

a變,非彈性散射

(拉曼、布里淵散射）

第十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日“次波”發(fā)射中心的排列：一定有序完全有序散射.d<λ.衍射.d≥λ漫射.d>λ.反射.d>>λ.直線傳播機理：介質中的電子在光波電磁場作用下作受迫振動,消耗能量,發(fā)射次波，由于介質的小范圍的不均勻性.

產生衍射（即散射）.二.散射、反射、漫射、衍射的區(qū)別散射時無規(guī)則光的散射現象之所以區(qū)別于直射、反射和折射，主要因為“次波”發(fā)射中心的排列不同.第二十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日三、瑞利散射分子散射的理論首先是由瑞利提出來的，瑞利認為由于分子的熱運動破壞了分子間固定的位置關系，使分子所發(fā)出的次波不再相干，因而產生了旁向散射光。是分子所發(fā)的次波，到達觀察點沒有固定的相位關系，是不相干疊加。按電磁學理論：每個次波的振幅是和它的頻率的平方成正比，而每個次波的光強，又和它的振幅的平方成正比。因而疊加這些次波的光強，可得散射光強和波長的四次方成反比的瑞利定律。（d<λ/20）第二十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日這種線度小于入射光波波長的微粒對入射光的散射現象，稱為瑞利散射。瑞利散射特點第二十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日敏感的器官）各氣體分子發(fā)出次波的非相干疊加造成.是分子散射.例1.

南北極探險用：“太陽羅盤”（利用陽光散射的偏振性）辨別方向（因磁羅盤在南北極無用）.例2.

蜜蜂靠天空光的偏振性辨別方向（蜜蜂的眼睛中有對偏振1)稀薄氣體的散射：2)純凈氣體或液體的散射（分子散射）例：朝陽、夕陽、藍天、紅路燈、青煙.

自然界中的一些現象分子熱運動，引起密度起伏，形成非均勻的小“區(qū)域”，發(fā)出次波，造成非相干迭加。第二十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日米—德拜，廷德爾散射(d>λ/20).例:

白云、霧、白煙.散射光強與λ無關

白光散射,也可以為是衍射的結果.

1）

懸浮質點的散射.如懸浮液

、乳狀液中的各懸浮粒子發(fā)出次波，非相干迭加的散射.2）臨界乳光.如在氣液二相點時，分子密度起伏很大，形成的散射.第二十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日2.分類：①②按不均勻團塊性質遷德爾散射：膠體、乳膠液、含有煙霧灰塵的大氣等分子散射：由于分子熱運動成局部漲落引起的第二十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日各向同性介質：入射光是自然光，正側方向——線偏振，斜方c——部分偏振，正對x——自然光.各向異性介質：入射光是線偏振光，側向——部分偏振.四、散射光的偏振性偏振度：通常又用退偏度計算第二十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日五、散射光的強度光沿x軸傳播，在xoz平面觀察:

第二十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日

余弦定律∴

I

是部分偏振光.為線偏振光.1906年巴拉克用來證明X射線是橫波，而不是縱波或粒子流.電子、質子、π介子都可用雙散射來研究其偏振性

!

雙散射：石蠟第二十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日六、拉曼、布里淵散射斯托克斯—拉曼散射

l

大反斯托克斯—拉曼散射

l

小布里淵散射:晶體中的聲波參與了能量交換.

斯托克斯-拉曼散射RS布里淵散射BS彈性散射布里淵散射BS反斯托克斯-

拉曼散射RS彈性散射RSRSBSBS(d)(a)(b)(c)非彈性散射第二十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日§6.4

光的色散

1.光速

u真空中,與頻率無關.都是c.介質中,與頻率有關.因而產生色散現象.一、色散的特點牛頓最早通過棱鏡折射來觀察色散現象，這種方法至今仍然很有價值。1.色散光譜（由棱鏡折射而成）是非勻排的，衍射光譜（光柵）的譜線是勻排的。2.各種物質的色散沒有簡單的關系。第三十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日P283圖6--11第三十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日角色散率：單位波長間隔兩譜線的角距離.棱鏡：3.同一種物質在不同波長區(qū)的角色散率有不同的值：它是兩個因數的乘積：第一個因數主要與棱鏡的棱角A有關，第二個因數有關棱鏡物質的色散特性。要研究色散，重要的是找在各波長區(qū)的值，或者找出n=f（λ）的函數形式。第三十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日

二、正交棱鏡觀察法——顯示色散最清楚的方法第三十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日三、正常色散與反常色散1.正常色散:波長越短折射率越大的色散。這一經驗公式稱為柯西方程經驗公式，a、b、c為常數。一般為：④不同物質的色散曲線沒有簡單的相似關系.色散曲線的特點：①波長越短，折射率越大；②波長越短，越大，角色散率也越大；③在波長一定時，不同物質的折射率越大，也越大；第三十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日3.實驗曲線

介質的色散曲線

可見光重火石玻璃輕火石玻璃水晶冕玻璃熒石n1.701.601.501.4002001000800400600介質的色散曲線

第三十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日2.反常色散：波長越短，折射率越小的色散.孔脫定律：反常色散總是與光的吸收有密切聯系?！胺闯！鄙嶋H上也是很普遍的，“反?！辈⒉环闯＃胺闯！鄙⒑汀罢！鄙H是歷史上的名詞。第三十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日4.色散類型正常:(紫端色散大)反常:(紅端色散大)孔脫定律：有選擇吸收的地方，必有色散.對一般的“透明”物質,反常色散總是發(fā)生在不可見光波段,(因可見光部分無吸收).因此,在可見光區(qū)見到的都是正常色散.

第三十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日一種透明物質（如石英）在紅外區(qū)的反常色散.P287圖6—18正常色散與反常色散曲線第三十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日例6.3由a=1.53974和b=4.5628×103nm2的玻璃構成的折射棱角為500的棱鏡。當棱鏡位置放得使它對550nm的波長處于最小偏向角時，試計算這棱鏡的角色散率？解：根據角色散率的定義和棱鏡的性質，得由柯西公式得折射率為第三十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日將n和dθ/dλ的數值代入得第四十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日可看成是光與束縛電子的相互作用

！

洛倫茲

電子—彈簧振子模型

對n=n(ω0,ω)，麥氏方程不能解釋.因非單色光入射時，

不成立.

阻尼力產生的原因:電子激發(fā)電磁場的同時,電磁場對電子也有反作用.

a.輻射阻尼（郭碩鴻P.325）

b.電子電磁質量產生的阻尼

*§6.5吸收、散射、色散的經典理論第四十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日受力

①

外電場（光）的強迫力:

qE

②

核束縛

準彈性力:-βr

③

阻尼力:-gv

穩(wěn)態(tài)解:第四十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日3.ω>>ω0

高頻散射.(x射線、g射線的散射，

波長l>>re電子半徑的條件仍成立，ω>>g

)4.ω=ω0共振現象.強烈吸收入射波然后再發(fā)射.按量子力學觀點.即從一能級到另一能級的躍遷.

拉曼，布里淵散射.電極化強度:

5.吸收和色散現象

成自由電子散射，即

湯姆遜散射.第四十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日一般吸收區(qū):弱吸收

g~0（瑞利、米散射時）第四十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日令:稱為:低頻電極化率.則有:柯希公式第四十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日選擇吸收區(qū):強吸收

w=w0（拉曼、布里淵散射時）

最大消光系數1.50.51.0k第四十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日吸收譜線寬度:

即:顯然:第四十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日6.洛倫茲

電子—振子模型

的局限性（主要是因為：經典模型中將偶極振子假定為簡諧的,偶極輻射的位相與入射場的相位無關）.

而量子電偶極子（平均電荷分布或電子幾率密度）作振動,其輻射光的相位與被驅動的入射場存在一個最佳相互作用時間，從而實現增益