第六章

光的吸收、散射和色散課程的引入:前面各章主要講授光的傳播，從幾何光學和波動光學探討了物的成像和光的干涉、衍射；除了研究在各向同性均勻媒質中光的傳播，還研究了光在各向異性媒質中的傳播，主要是光在單軸晶體內的傳播，如雙折射現(xiàn)象，光學偏振器，波晶片等；其有一個共同的特點，即光在媒質內傳播的過程中，不存在能量的損失。

除了真空，沒有一種媒質在嚴格意義上對光波是絕對透明的，光通過媒質時，部分光被媒質吸收，另一部分光被散射，余下來的部分按原來的傳播方向繼續(xù)前進；另一方面，不同波長的光在媒質中有不同的傳播速度，即媒質對不同波長的光有不同的折射率；一束白光或多色光只要入射角不為零，不同波長的光就會按不同折射角而散開，這就是色散（如以前所講過的三棱鏡的色散）。6.2

光的吸收一般吸收——吸收比較弱，基本不隨波長而變化。選擇吸收——吸收比較強，隨波長發(fā)生急劇變化。一、一般吸收和選擇吸收自然界的物質都具有選擇吸收，理想的一般吸收不存在，只能在一小段范圍內。I一般吸收區(qū)域選擇吸收區(qū)域(nm)I(a.u.)*普遍吸收和選擇吸收(nm)I(a.u.)樣品若物質對各種波長λ的吸收程度幾乎相等，即吸收系數(shù)與λ無關。在可見光范圍內，意味著光束通過媒質后只改變強度，不改變顏色。如：空氣、純水、無色玻璃等媒質。普遍吸收三、光的吸收與波長的關系1、普遍吸收：若物質對各種波長λ的吸收程度幾乎相等，即吸收系數(shù)α與λ無關。在可見光范圍內，意味著光束通過媒質后只改變強度，不改變顏色。如：空氣、純水、無色玻璃等媒質。2、選擇吸收：若物質對某些波長的光吸收特別強烈。由于可見光進行選擇吸收，會使白光變?yōu)椴噬?。絕大部分物體呈現(xiàn)顏色，都是其表面或體內對可見光進行選擇吸收的結果。吸收的線性規(guī)律光的強度隨穿進媒質的深度而減小，這種現(xiàn)象稱為媒質對光的吸收。

二、朗伯定律吸收的線性規(guī)律—朗伯定律單色平行光束沿X方向通過均勻媒質，光的強度在經(jīng)過厚度為dx的一層媒質時：I→I－dII0II-dIdxxx+dxlx實驗表明：在光強范圍內－dI∝Idx令：－dI=αIdxα與I無關，與波長有關。稱為吸收系數(shù)寫成指數(shù)關系式為：

I=I0e－αl

此稱為朗伯定律。三、吸收光譜朗伯定律是吸收光譜的基本原理。入射的有連續(xù)波長分布的光，透過物質后，在選擇吸收區(qū)域，有些波長范圍的光被強烈吸收，形成吸收光譜反映原子、分子結構特征——原子光譜、紅外光譜地球大氣層對可見光和波長3000A以上的紫外線是透明的，波長短于3000A的紫外線將被空氣中的臭氧層強烈吸收。對于紅外輻射，大氣層在某些狹窄的波段內是透明的，透明的波段稱為“大氣窗口”。例：3～5um和8~14um是大氣的兩個窗口。利用這兩個窗口，可以實現(xiàn)紅外遙感和遙測，天氣預報測量，軍事領域可以進行紅外制導和紅外跟蹤。oo剛玉紅寶石白寶石三基色相加混合紅＋青＝白紅＋綠＝黃藍＋黃＝白綠＋藍＝青綠＋品紅＝白紅＋藍＝品紅紅＋綠＋藍＝白彩色顯示器顯示單元XYZ色度圖當光束通過均勻的透明介質時，從側面是難以看到光的。但當光束通過不均勻的透明介質時，則從各個方向都可以看到光，這是介質中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結果，這種現(xiàn)象稱為光的散射。例如，當一束太陽光從窗外射進室內時，我們從側面可以看到光線的徑跡，就是因為太陽光被空氣中的灰塵散射的緣故。

6.3光的散射二、散射和反射、漫射和衍射現(xiàn)象的區(qū)別反射——理想界面，物體線度遠大于波長。漫射——非理想界面，可看成許多無規(guī)小鏡面，向各方向反射。衍射——個別不均勻區(qū)域造成的，線度可與光的波長相比擬。散射——大量，無規(guī)則排列，不均勻小區(qū)域集合造成的,線度可比光的波長小，且小區(qū)域間發(fā)生不相干疊加。散射類型

1、瑞利散射發(fā)生于混濁介質中。原因是在混濁介質中包含許多線度比波長更小的、折射率不同的其他物質的微粒2、分子散射發(fā)生于表面看來均勻純凈的介質中。即使十分純凈的液體或氣體，也能產(chǎn)生比較微弱的散射，這是由于分子熱運動造成密度的局部漲落引起的，這種散射，稱為分子散射，物質處臨界點時密度張落很大，光線照射在其上，就會發(fā)生強烈的分子散射。三、瑞利散射瑞利散射——線度小于光的波長的微粒對入射光的散射現(xiàn)象。散射光強度：——瑞利定律問：天空為什么是藍的？

首先，白晝天空之所以是亮的，完全是大氣散射陽光的結果。如果沒有大氣，即使在白晝，人們仰觀天空，將看到光輝奪目的太陽懸掛在漆黑的背景中。這景象是宇航員司空見慣了的。由于大氣的散射，將陽光從各個方向射向觀察者，我們才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光中的短波成分（藍紫色）遭到散射比長波成分（紅黃色）強烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚藍色。旭日和夕陽為什么是紅的？云

由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余較多的自然是長波成分了。早晚陽光以很大的傾角穿過大氣層，經(jīng)歷大氣層的厚度要比中午時大得多，從而大氣的散射效應也要強烈得多，這便是旭日初升時顏色顯得特別殷紅的原因。6.4：色散

定義：光通過介質時，傳播速度隨頻率（波長）而變化，因而不同波長的光具有不同的折射率值的現(xiàn)象。4·1色散現(xiàn)象與經(jīng)典電磁理論的矛盾由麥克斯韋方程組可得：

由此可得n與頻率、波長無關。色散現(xiàn)象的客觀存在說明了電磁理論存在缺陷。只有在深入研究物質原子結構的基礎上，才能解釋折射率隨頻率變化的原因。

物質的色散特性可用角色散率D描述：4·2色散曲線和光譜

實驗中用正交棱鏡觀察法測量色散曲線，參見圖。色散曲線：牛頓正交棱鏡實驗

柯希公式牛頓正交棱鏡實驗正常色散的科希公式（經(jīng)驗公式）通?？梢匀∏皟身桝，B，C是與材料有關的常數(shù)色散曲線的特點：

1、隨著波長值的變大，折射率值減小。2、短波段色散曲線斜率較大，角色散率較大。3、波長一定，介質的折射率越大，色散曲線斜率越大。特點：1、光譜線是非均勻排布的。2、短波段的角色散率比長波段的大3、折射率大則角色散率大，光譜展開得寬色散光譜：利用攝譜儀拍攝了幾種物質的色散光譜如下：吸