1、2.5 光的吸收、色散和散射,光的吸收,單色平行光，穿透媒質，I(x) ，, ，得,一. 光強 ( 因吸收而減弱 ) 的規(guī)律,再經(jīng) dx ，改變 dI,朗伯定律,Absorption,上式稱為布格爾定律或朗伯定律，它是布格爾 ( P. Bouguer, 1698 1758 ) 在1729年發(fā)現(xiàn)的，朗伯 ( J.H. Lambert, 1728 1777 )在1760年重新作了表述。,二. 普遍吸收和選擇吸收,吸收與波長的關系。,在廣闊的波段上，每種物質都有其選擇吸收波長。,普遍吸收：吸收系數(shù)與波長無關，吸收程度幾乎相等?？諝狻⒓兯?、無色玻璃等在可見光范圍,“大氣窗口”,三. 吸收光譜,Frau

2、nhofer 譜線: 太陽光譜是典型的暗線吸收光譜，在其連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條的暗線。氫、氦、鈉、氧、鐵、鈣等,原子吸收光譜: 化學定量分析,色散 Dispersion,同一物質中，折射率n和波長 有關的現(xiàn)象叫色散。,色散率D：,若1和2對應的頻率為n1和n2，則1到2的波長區(qū)間的平均色散率為,一. 正常色散和反常色散,在所取的頻段中，若折射率 n 隨波長 的增加而單調下降，則稱之為 正常色散。 無色透明材料( 例如玻璃 ) 在可見光范圍是正常色散。,較窄波段范圍,在吸收帶附近，n 隨波長的改變而急劇改變(且因有強烈吸收，不易觀察)，吸收帶兩邊 較大的一側 n 較大，這叫做 反常色散。(

3、 歷史遺留的稱呼),觀察鈉蒸氣反常色散的實驗裝置（R. W. Wood, 1904）,充滿碘蒸氣的三棱柱形容器，紅光比藍光偏折更大（F. P. Leroux, 1862）,石英的色散曲線,反常色散總是與光的吸收有密切聯(lián)系，一種物質在某一波長區(qū)域內有反常色散時，則在該區(qū)域內也有強烈的吸收。,固有頻率0附近的折射率與吸收（經(jīng)典電子理論）,在反常色散區(qū)內出現(xiàn)折射率隨頻率的增大而減小的現(xiàn)象。,反常色散曲線,特點：折射率隨波長的增大而增大，即色散率,二. 一種物質的全部色散曲線,一般特征：一系列吸收帶，兩相鄰吸收帶之間，n 隨 的增加而單調下降。每經(jīng)過一個吸收帶，n 顯著增大。曲線總趨勢是隨 增加而抬高

4、。,任何物質共有的現(xiàn)象：在物質的吸收帶范圍內存在反常色散，而在吸收帶以外或兩個吸收帶之間則存在正常色散。,光的相速度：,波面或相位的傳播速度，以vp表示。,Phase velocity,對于嚴格的單色光，波速是指等相位面?zhèn)鞑サ乃俣?，即相速度p,相位不變的條件是：,實際的波列（復色光）相當于許多單色波列的疊加，其形狀構成一種波包。當波包通過色散介質時，各個單色分量將以不同的相速度向前傳播，導致波包在向前傳播的同時，形狀也隨之改變，使得波包的傳播速度與各波列的相速度發(fā)生改變。,假設一波包由兩個單色波列組成，其瞬時光振動波函數(shù)為,，,，,，,，,群速度：波包的等幅面的移動速度,群速度與相速度的關系：

5、,對正常色散：dn/dlc/vp ；,對反常色散：dn/dl0，故vgvp，c/vgc/vp。,群速折射率,結論： 所有通過信號法測定的光速，都是光波的群速度，或信號速度。 所有通過折射率法測定的光速，都是光波的相速度。 在真空及無色散介質中，兩者完全一致，但在色散介質中，兩者卻有所差異。,準單色波包及其群速,只有在弱色散介質內，對準單色波，一個波包才能傳播較長距離而不發(fā)生顯著的形狀變化。,光的散射 Scattering,概念：光波通過透明介質時，在入射光的作用下，原子、分子或散射介質的電子作受迫振動并輻射次波，由于介質隨機的微小不均勻性導致部分光波偏離原來的傳播方向而向不同方向散開的現(xiàn)象。,

6、當介質密度的隨機不均勻性或雜質微粒的線度和光波長相當或比光波長更大的情況下，各個微粒中正動偶極子發(fā)射的光波位相隨機變化，散射光不因干涉而相消。光強度強度減弱,在光學均勻介質中不產(chǎn)生光散射現(xiàn)象。,兩類：（1）散射光波長不變，（2）散射后光波波長改變,1瑞利散射：小顆粒散射,1904年獲諾貝爾物理獎,線性散射-散射光波長(或頻率)不變,瑞利散射定律-,自然光入射產(chǎn)生的散射光強：,散射光是偏振光,各向同性介質，偏振度為,2米-德拜 散射：大顆粒散射，與波長關系不明顯。,差不多與此同時，前蘇聯(lián)物理學家曼杰利斯塔姆等人，在研究光在晶體上發(fā)生的散射光光譜時，也獨立地發(fā)現(xiàn)了這種散射現(xiàn)象，他們把它稱為聯(lián)合散射

7、。意思是說，這是光波和分子內的原子聯(lián)合行動所造成的散射。,非線性散射有新頻率的光產(chǎn)生,拉曼散射實驗裝置,氫的拉曼光譜,汞弧燈,裝滿水的玻璃管,反射鏡,液體，晶體，入射光 0 ，,散射光 ，除了有 0 的以外，還有,( 很弱 ),各 i 與 0 無關，只由散射物質決定， i 是樣品在紅外的一條譜線的頻率。,有分子振動參與的光散射過程，是研究分子結構、測量大氣污染的一種重要工具。此后，布里淵（Brillouin）散射.,例 強度為I0的單色光垂直入射到有色玻璃片上，玻璃片的厚度為l，吸收系數(shù)為，折射率n=1.5。1. 試求透射光強和入射光強之比（不計多重反射）。2. 試求由于不計光強的反射損失而引起的相對誤差是多少? 假設能量反射率R很小。3. 試問在測量玻璃片的吸收系數(shù)的實驗中，怎樣消除由于反射引起的誤差？,解： 1. 在玻璃片第一界面上反射的光強 為,進入玻璃片的光強為,傳播l距離后的光強為,在玻璃片的第二界面上反射的光強 為,故透射光強為,透射光強與入射光強之比為,由菲涅耳公式，正入射時的能量反射率R為,因此，不計反射損失引起的光強之比的絕對誤差為,相對誤差為,3