1、第六章光的吸收散射和色散第六章光的吸收散射和色散ppt课件 当光波在媒质中传播时，由于光波和物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折射现象；另一种速度减慢引起的折射和双折射现象；另一种是光能减弱的消光是光能减弱的消光(extinction)现象。消光现现象。消光现象中，将光能转换成其它形式的能量，是吸象中，将光能转换成其它形式的能量，是吸收收(absorption)现象；而有部分光波沿其它方现象；而有部分光波沿其它方向传播，是散射向传播，是散射(scattering)现象。对于沿原现象。对于沿原方向
2、传播的光波来说，这两种现象都使光能方向传播的光波来说，这两种现象都使光能减弱，起消光作用。减弱，起消光作用。除真空外，任何介质对电磁波都不是绝除真空外，任何介质对电磁波都不是绝对透明。这是由于光通过介质时光通过物质时对透明。这是由于光通过介质时光通过物质时其传播情况就会发生变化：其传播情况就会发生变化：光束越深入物质，强度将越减弱光束越深入物质，强度将越减弱光的能量被物质吸收光的能量被物质吸收光的吸收光的吸收光向各个方向散射光向各个方向散射光的散射。光的散射。光在物质中传播的速度将小于真空中的光在物质中传播的速度将小于真空中的速度且随频率而变化速度且随频率而变化光的色散。光的色散。光和物质的相
3、互作用是不同物质光学性光和物质的相互作用是不同物质光学性质的主要表现质的主要表现光的吸收、散射和色散都光的吸收、散射和色散都是由光和物质中的原子中电子的相互作用是由光和物质中的原子中电子的相互作用.一一.电偶极子模型电偶极子模型 6.1 电偶极子辐射对反射和折射现象的解释电偶极子辐射对反射和折射现象的解释光照射物质时，策动物质中的电子和原子核振荡，由光照射物质时，策动物质中的电子和原子核振荡，由于核的质量比电子重得多，故只考虑电子的振荡即于核的质量比电子重得多，故只考虑电子的振荡即:电偶极子振荡电偶极子振荡在经典理论中是不能完全正确地解释光和物质相互作在经典理论中是不能完全正确地解释光和物质相
4、互作用关系，但是可以简单而直观说明有关物质光学性质用关系，但是可以简单而直观说明有关物质光学性质的许多主要现象。的许多主要现象。l r q+q-q q r r a a lqp q+q-振荡偶极子周围的电磁场振荡偶极子周围的电磁场如图：用球坐标来表示电偶极子向周围辐如图：用球坐标来表示电偶极子向周围辐射的电磁波的矢量关系，电偶极子的电矩射的电磁波的矢量关系，电偶极子的电矩矢量矢量P沿着沿着Z轴，沿任一方向轴，沿任一方向(极角为极角为)的的波的电矢量波的电矢量E沿着经线，磁矢量沿着经线，磁矢量H沿着纬沿着纬线，各处的波都是平面偏振的线，各处的波都是平面偏振的式中式中e为电子所带的电量，为电子所带的
5、电量，z为电子离开原点的距离，为电子离开原点的距离，为电子为电子振动的圆频率，并设正电荷静止在坐标原点。振动的圆频率，并设正电荷静止在坐标原点。在电动力学中，在电动力学中，可以证明电偶极子所辐射的电磁波的电矢量和磁矢量的值各可以证明电偶极子所辐射的电磁波的电矢量和磁矢量的值各为为:reprrezp tAzcos)(cossin4220cRtRceAE-qcEH0坡印廷矢量的绝对值为坡印廷矢量的绝对值为:(是电磁波能是电磁波能流密度矢量，叫做坡印廷矢量流密度矢量，叫做坡印廷矢量)HESrrr201EcEHHESrr坡印廷矢量的平均值坡印廷矢量的平均值(波的强度波的强度)q222422020sin
6、321cRAeEcISR表示观察者离偶极子的距离表示观察者离偶极子的距离光在半径为光在半径为R的球面上各点的相位都的球面上各点的相位都相等，且相位较原点处落后了相等，且相位较原点处落后了R/c但是振幅随但是振幅随角而变，这就引起波的角而变，这就引起波的强度强度I(能流密度能流密度)在同一波面上的不在同一波面上的不均匀分布。如图均匀分布。如图解释解释1：均匀介质中的直线传播定律：均匀介质中的直线传播定律.i.分子线度很小（分子线度很小（d 10-8cm,10-5cm).在一个分子在一个分子的不同部分上的不同部分上,入射光的位相差可以忽略不计入射光的位相差可以忽略不计.ii.分子作受迫振动分子作受
7、迫振动，发出电磁波，发出电磁波(偶极振子模型偶极振子模型)iii.可证明可证明.只要分子的密度是均匀的只要分子的密度是均匀的,次波相干迭加次波相干迭加的结果只剩下遵从几何光学规律的光线的结果只剩下遵从几何光学规律的光线.沿其余沿其余的振动干涉相消的振动干涉相消 用半波带概念用半波带概念.iv.用惠更斯用惠更斯 菲涅耳原理可解释菲涅耳原理可解释.但此处的但此处的“次波次波”有真实的振源有真实的振源.二二.电偶极辐射对反射和折射现象的初步解释电偶极辐射对反射和折射现象的初步解释 解释解释2：反射、折射定律：反射、折射定律解释解释3：布儒斯特定律：布儒斯特定律反射和折射是由于两种介质界面上分子性质的
8、不连续性而引反射和折射是由于两种介质界面上分子性质的不连续性而引起的。介质不同起的。介质不同,辐射阻尼力不同辐射阻尼力不同,故在不同介质中有不同的故在不同介质中有不同的波速（相速）造成合成波等相位面的改变波速（相速）造成合成波等相位面的改变.反射光：反射光：002|q qq qsinI如图：它表示在折射率为如图：它表示在折射率为n2的介质中，一个分的介质中，一个分子电偶极子在子电偶极子在E2的作用下，沿着平行于的作用下，沿着平行于E2的的Z轴方向做受迫振动时所辐射的轴方向做受迫振动时所辐射的“次波次波”，当反，当反射光方向恰和射光方向恰和Z轴平行，因而在这个方向上没轴平行，因而在这个方向上没有
9、有“次波。次波。”所以没有反射光。所以没有反射光。电偶极辐射对反射和折射现象的初步解释因非单色光入射时，同样强度的光通过不同吸收物质的不同厚度,而产生相等的吸收的条件为:RS RS BS BS在一个分子的不同部分上,入射光的位相差可以忽略不计.如图：它表示在折射率为n2的介质中，一个分子电偶极子在E2的作用下，沿着平行于E2的Z轴方向做受迫振动时所辐射的“次波”，当反射光方向恰和Z轴平行，因而在这个方向上没有“次波。橡皮：对可见光不透明（吸收），对红外光透明.在均匀介质中,光能沿着折射光线方向传播,在这种情形下,光朝各个方向散射是不可能的.分子线度很小（d 10-8cm,10-5cm).分子散
10、射的理论首先是由瑞利提出来的，瑞利认为由于分子的热运动破坏了分子间固定的位置关系，使分子所发出的次波不再相干，因而产生了旁向散射光。解释2：反射、折射定律即对个别波长、波段的光,有强烈吸收.选择吸收：若媒质吸收某种波长的光能比较显著，并且随波长变化而剧烈变化。布里渊散射:晶体中的声波参与了能量交换.在均匀介质中,光能沿着折射光线方向传播,在这种情形下,光朝各个方向散射是不可能的.称为:低频电极化率.6.2 光的吸收光的吸收光光通通过过介介质质时时 光强度减小光强度减小 散射散射 吸收吸收 成彩色成彩色.色散色散 n(0,)(入射光频率入射光频率)速度变慢或弯曲速度变慢或弯曲.n 不同不同.出现
11、出现折射和双折折射和双折射现象、反射射现象、反射 一、一般吸收和选择吸收一、一般吸收和选择吸收 1.一般吸收：在一定的波长范围内，若某种媒质对一般吸收：在一定的波长范围内，若某种媒质对于通过它的各种波长的光波都作等量于通过它的各种波长的光波都作等量(指能量指能量)吸收且吸收且吸收量很小，则称这种媒质具有一般吸收性即吸收量很小，则称这种媒质具有一般吸收性即 对对各个波长的光各个波长的光,吸收都相同吸收都相同.其特点：光波几乎能透射，即通常的透明体其特点：光波几乎能透射，即通常的透明体2.2.选择吸收选择吸收：若媒质吸收某种波长的光能比较显著，：若媒质吸收某种波长的光能比较显著，并且随波长变化而剧
12、烈变化。称它具有选择吸收并且随波长变化而剧烈变化。称它具有选择吸收。即对个别波长即对个别波长、波段的光波段的光,有强烈吸收有强烈吸收.任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因例如例如:绿色玻璃是把入射的白色光中的红色光和蓝色绿色玻璃是把入射的白色光中的红色光和蓝色光吸收掉光吸收掉,只剩下绿色光能够透射过去只剩下绿色光能够透射过去带色物体一般可区分为体色和表面色带色物体一般可区分为体色和表面色 大多数天然物质如颜料、花等的颜色都是在光入大多数天然物质如颜料、花等的颜色都是在光入射物体内部相当深
13、处的过程中，由于某些波长的光被射物体内部相当深处的过程中，由于某些波长的光被选择吸收后，使得物体呈现未被吸收的色光的颜色选择吸收后，使得物体呈现未被吸收的色光的颜色体色：即物体的颜色是由于物体内部成分不同而形成体色：即物体的颜色是由于物体内部成分不同而形成的，所以叫作体色的，所以叫作体色,呈现体色物体的透射光和反射光的呈现体色物体的透射光和反射光的颜色是一样的颜色是一样的 表面色：物体的颜色是由于物体表面的选择反射形成表面色：物体的颜色是由于物体表面的选择反射形成的，所以叫作表面色的，所以叫作表面色 例如例如:被黄金薄膜反射的光呈现黄色，而由它们透射被黄金薄膜反射的光呈现黄色，而由它们透射的光
14、则是绿色的光则是绿色 不具有选择反射性表面所反射的光，仍呈现白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，而啤酒本身却是深色例如，啤酒的泡沫呈现白色，而啤酒本身却是深黄色黄色 光谱色：光谱中的颜色，但是每一种的颜色都是纯色光谱色：光谱中的颜色，但是每一种的颜色都是纯色 实际生活中：有许多种颜色在光谱中并不存在；例如，实际生活中：有许多种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的颜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，再用分光仪检查色令白色光透射高锰酸钾溶液后，再用分光仪检查之，可发现这种溶液能完全吸收光谱中
15、部的各色光而之，可发现这种溶液能完全吸收光谱中部的各色光而能透射光谱两端的红色光和紫色光，所以这种溶液所能透射光谱两端的红色光和紫色光，所以这种溶液所显示的紫红色正是红色和紫色的混合色显示的紫红色正是红色和紫色的混合色 玻璃：对可见光透明，对紫玻璃：对可见光透明，对紫 外、红外不透明外、红外不透明(吸收吸收)橡皮：对可见光不透明（吸收），对红外光透明橡皮：对可见光不透明（吸收），对红外光透明.混泥土：对可见光不透明（吸收），对无线电波透明混泥土：对可见光不透明（吸收），对无线电波透明.树木树木:对绿光反射，对其它光吸收对绿光反射，对其它光吸收.二、朗伯定律二、朗伯定律i.对介质对介质遵从朗伯定
16、律（或布格尔定律）遵从朗伯定律（或布格尔定律）.光能光能振动能振动能平动能平动能热能热能IdxdIaa-a aa 吸收系数吸收系数-laIIdxIdI00alaeIIa a-0对空气：对空气：,1015-cmaa a对玻璃：对玻璃：1012-cmaa aACaaC:.-A.-aaaCaaa稀溶液溶液的浓度与浓度无关的常数吸收系数C:.-A.-aaaCaaa稀溶液溶液的浓度与浓度无关的常数吸收系数ii.对液体对液体遵从比尔定律遵从比尔定律条件：浓度较小，忽略分子间的相互作用条件：浓度较小，忽略分子间的相互作用.AcleII-0该定律仅适用于物该定律仅适用于物质分子的本领不受质分子的本领不受其四周
17、邻近分子的其四周邻近分子的影响的情况。影响的情况。例题例题玻璃的吸收系数为玻璃的吸收系数为10-2cm-1,空气的吸收系数为空气的吸收系数为10-5cm-1,试问试问1cm厚的玻璃所吸收的光厚的玻璃所吸收的光,相当于多厚空气层所吸收的光相当于多厚空气层所吸收的光?解:根据公式:)1(00daeIIIa-I 为光通过厚度为d的吸收层以后的光强,a为吸收系数.同样强度的光通过不同吸收物质的不同厚度,而产生相等的吸收的条件为:ddaaee-aa11ddaaaacmddaa10001011052-aa可看成是光与束缚电子的相互作用！研究光的散射现象可以使我们得到关于物质结构的丰富的知识。RS RS B
18、S BS光沿x轴传播，在xoz平面观察:因非单色光入射时，同样强度的光通过不同吸收物质的不同厚度,而产生相等的吸收的条件为:三、正常色散与反常色散洛伦兹 电子 振子模型 的局限性选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因三、正常色散与反常色散解释1：均匀介质中的直线传播定律.“反常”色散实际上也是很普遍的，“反常”并不反常，“反常”色散和“正常”色散仅是历史上的名词。消光现象中，将光能转换成其它形式的能量，是吸收(absorption)现象；除真空外，任何介质对电磁波都不是绝对透明。光通过物质时，它的传播情况会发生哪些变化？这些变化会表现出哪些现象？（2）实质上是由光和原子中的电子相互作用引起的。19
19、06年巴拉克用来证明X射线是横波，而不是纵波或粒子流.光在半径为R的球面上各点的相位都相等，且相位较原点处落后了R/c体色：即物体的颜色是由于物体内部成分不同而形成的，所以叫作体色,呈现体色物体的透射光和反射光的颜色是一样的三、吸收光谱三、吸收光谱 大气窗口：大气窗口：115 m之间有之间有7个，反映大气中水蒸汽、二氧化个，反映大气中水蒸汽、二氧化碳和臭氧的含量碳和臭氧的含量.由于极少量混合物或化合物中由于极少量混合物或化合物中原子含的变化，吸收系数会变原子含的变化，吸收系数会变化很大，可用检测混合物中的化很大，可用检测混合物中的微量元素微量元素.选择选择 吸收的微观解释吸收的微观解释:入射光
20、频率与偶极振子固有频率相同入射光频率与偶极振子固有频率相同时时产生共振吸收产生共振吸收.(固有频率对应原子能级固有频率对应原子能级)能能级级差差E,/E 0产生连续光谱的光源所发出的光，通过有选择吸收的介质后，产生连续光谱的光源所发出的光，通过有选择吸收的介质后，用分光计可以看出某些线段或某些波长的光被吸收，这就形成用分光计可以看出某些线段或某些波长的光被吸收，这就形成了吸收光谱。了吸收光谱。太阳光穿入大气层时被大气吸收，水汽和二氧化碳在红太阳光穿入大气层时被大气吸收，水汽和二氧化碳在红外区有强烈吸收，而臭氧则在紫外区有强烈吸收外区有强烈吸收，而臭氧则在紫外区有强烈吸收.到现在为止，我们已研究
21、了光在各向同性介质与各到现在为止，我们已研究了光在各向同性介质与各向异性介质中的折射现象、反射现象、吸收现象。这向异性介质中的折射现象、反射现象、吸收现象。这些现象给我们提供了许多关于物质的结构和性质方面些现象给我们提供了许多关于物质的结构和性质方面的知识。散射光的一切性质它的光强、偏振与光谱的知识。散射光的一切性质它的光强、偏振与光谱成分，也都反映了散射介质的性质。研究光的散射现成分，也都反映了散射介质的性质。研究光的散射现象可以使我们得到关于物质结构的丰富的知识。象可以使我们得到关于物质结构的丰富的知识。6.3 光的散射光的散射 在均匀介质中在均匀介质中,光能沿着折射光线方向传播光能沿着折
22、射光线方向传播,在这种情在这种情形下形下,光朝各个方向散射是不可能的光朝各个方向散射是不可能的.因为光在均匀介因为光在均匀介质中传播时质中传播时,介质中偶极子发出的次波具有与入射光介质中偶极子发出的次波具有与入射光相同的频率相同的频率,并且由于偶极子之间有一定的位相关系并且由于偶极子之间有一定的位相关系,因而它们是相干光因而它们是相干光.散射的基本概念散射的基本概念1.定义：当光束通过光学性质不均匀的物定义：当光束通过光学性质不均匀的物质时从侧面可以看到光的现象，称为光的质时从侧面可以看到光的现象，称为光的散射。散射。ll)(eIeIIsaa aa aa a-+-00其特点其特点:散射会使光在
23、原传播方向上的光强减弱，它散射会使光在原传播方向上的光强减弱，它遵守指数规律遵守指数规律一、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介质的不均匀性，使介质粒子发出的次波，介质的不均匀性，使介质粒子发出的次波，位相不恒定造成位相不恒定造成非相干迭加，在各处不会干涉相消，从而形成散射光非相干迭加，在各处不会干涉相消，从而形成散射光.稳定非均匀介质稳定非均匀介质 a a 不变不变,弹性散射弹性散射(瑞利散射、米氏散射）瑞利散射、米氏散射）不稳定非均匀介质不稳定非均匀介质 a a 变变,非弹性散射非弹性散射(拉曼、布里渊散射）拉曼、布里渊散射）称为衰减系数两者之和是散射系数是吸收系数式
24、中aaa。，sa“次波次波”发射中心的排列：发射中心的排列：一定有序一定有序完全有序完全有序散射散射.d.反射反射.d.直线传播直线传播机理：介质中的电子在光波电磁场作用下作受迫振动机理：介质中的电子在光波电磁场作用下作受迫振动,消耗能量消耗能量,发射次波，由于介质的小范围的不均匀性发射次波，由于介质的小范围的不均匀性.)(rrr 产生衍射（即散射）产生衍射（即散射）.二二.散射、反射、漫射、衍射的区别散射、反射、漫射、衍射的区别 散射时无规则散射时无规则光的散射现象之所以区别于直射、反射和折射，主要因为光的散射现象之所以区别于直射、反射和折射，主要因为“次波次波”发射中心的排列不同发射中心的
25、排列不同.三、瑞利散射三、瑞利散射分子散射的理论首先是由瑞利提出来的，瑞利认为由分子散射的理论首先是由瑞利提出来的，瑞利认为由于分子的热运动破坏了分子间固定的位置关系，使分于分子的热运动破坏了分子间固定的位置关系，使分子所发出的次波不再相干，因而产生了旁向散射光。子所发出的次波不再相干，因而产生了旁向散射光。是分子所发的次波，到达观察点没有固定的相位关系，是分子所发的次波，到达观察点没有固定的相位关系，是不相干叠加。是不相干叠加。按电磁学理论：每个次波的振幅是和它的频率的平方按电磁学理论：每个次波的振幅是和它的频率的平方成正比，而每个次波的光强，又和它的振幅的平方成成正比，而每个次波的光强，又
26、和它的振幅的平方成正比。因而叠加这些次波的光强，可得散射光强和波正比。因而叠加这些次波的光强，可得散射光强和波长的四次方成反比的瑞利定律。长的四次方成反比的瑞利定律。)(144 I,I4)(:fI 或（d/20).例例:白云、雾、白烟白云、雾、白烟.散射光强与散射光强与无关无关 白光散射白光散射,也可以为是衍射的结果也可以为是衍射的结果.1）悬浮质点的散射悬浮质点的散射.如悬浮液如悬浮液、乳状液中的、乳状液中的各悬各悬浮粒子发出次波，非相干迭加的散射浮粒子发出次波，非相干迭加的散射.2）临界乳光）临界乳光.如在气液二相点时，分子密度起如在气液二相点时，分子密度起伏很大，形成的散射伏很大，形成的
27、散射.2.分类分类 按不均匀团块性质按不均匀团块性质布里渊散射受激拉曼散射自发拉曼散射拉曼散射非线性米氏散射：线度瑞利散射：线度线性线度10/的运动造成局部涨落引起分子散射：由于分子热的大气等乳胶液，含有烟雾灰尘延德尔系散射：胶体，迁德尔散射：胶体、乳胶液、含有烟雾灰尘的大气等迁德尔散射：胶体、乳胶液、含有烟雾灰尘的大气等分子散射：由于分子热运动成局部涨落引起的分子散射：由于分子热运动成局部涨落引起的各向同性介质各向同性介质入射光是自然光，正侧方入射光是自然光，正侧方向向线偏振，线偏振，斜方斜方c 部分偏振，正对部分偏振，正对x 自然光自然光.各向异性介质各向异性介质入射光是线偏振光，侧向入射
28、光是线偏振光，侧向部分偏振部分偏振.xyxyIIIIP+-四、散射光的偏振性四、散射光的偏振性偏振度：偏振度：通常又用退偏度计算通常又用退偏度计算P-1五、散射光的强度五、散射光的强度光沿光沿x轴传播，在轴传播，在xoz平面观察平面观察:xzoy0IIy q q 余弦定律余弦定律a aq q2020cosIsinIIz )1(20a acosIIIIzy+zyII I 是部分偏振光是部分偏振光.02IIIy 时时当当 a a为线偏振光为线偏振光.1906年巴拉克用来证年巴拉克用来证明明X射线是横波，而不是射线是横波，而不是纵波或粒子流纵波或粒子流.电子、质子、电子、质子、介子都可用双散射来研究
29、其偏振性介子都可用双散射来研究其偏振性!xyzca aq q双散射：0 ImaxI射射线线X石蜡六、拉曼、布里渊散射六、拉曼、布里渊散射斯托克斯斯托克斯 拉拉曼散射曼散射 大大反斯托克斯反斯托克斯 拉拉曼散射曼散射 小小布里渊散射布里渊散射:晶晶体中的声波参与体中的声波参与了能量交换了能量交换.斯托克斯斯托克斯-拉曼散射拉曼散射 RS布里渊散射布里渊散射 BS弹性散射弹性散射l 布里渊散射布里渊散射 BS反斯托克斯反斯托克斯-拉曼散射拉曼散射 RS2B 1B s AS 弹性散射弹性散射)(s)(As RS RS BS BS)(1(d)(a)(b)(c)非弹性散射非弹性散射6.4 光的色散光的色
30、散 1.光速光速 u真空中真空中,与频率无关与频率无关.都是都是c.介质中介质中,与频率有关与频率有关.)(ncu 因而产生色散现象因而产生色散现象.一、色散的特点一、色散的特点牛顿最早通过棱镜折射来观察色散现象，这种方法至今仍然牛顿最早通过棱镜折射来观察色散现象，这种方法至今仍然很有价值。很有价值。1.色散光谱（由棱镜折射而成）是非匀排的，衍射光谱（光色散光谱（由棱镜折射而成）是非匀排的，衍射光谱（光栅）的谱线是匀排的。栅）的谱线是匀排的。2.各种物质的色散没有简单的关系。各种物质的色散没有简单的关系。P283 图6-11角色散率：角色散率：q qddD 单位波长间隔两单位波长间隔两谱线的角
31、距离谱线的角距离.棱镜：棱镜：ddn/Asinn/AsinD)2(1)2(222-3.同一种物质在不同波长区的角色散率有不同的值：同一种物质在不同波长区的角色散率有不同的值：它是两个因数的乘积：第一个因数主要与棱镜的棱角它是两个因数的乘积：第一个因数主要与棱镜的棱角A有关，有关，第二个因数有关棱镜物质的色散特性。第二个因数有关棱镜物质的色散特性。要研究色散，重要的是找要研究色散，重要的是找 在各波长区的值，或者找出在各波长区的值，或者找出n=f（）的函数形式。）的函数形式。ddn二、正交棱镜观察法二、正交棱镜观察法显示色散最清楚的方法显示色散最清楚的方法三、正常色散与反常色散三、正常色散与反常
32、色散1.1.正常色散正常色散:波长越短折射率越大的色散。波长越短折射率越大的色散。42cban+这一经验公式称为柯西方程这一经验公式称为柯西方程经验公式，经验公式，a、b、c为常数。一般为：为常数。一般为：.2dd,32bnban-+不同物质的色散曲线没有简单的相似关系不同物质的色散曲线没有简单的相似关系.色散曲线的特点：色散曲线的特点：波长越短，折射率越大；波长越短，折射率越大；波长越短，波长越短，越大，角色散率也越大；越大，角色散率也越大；ddn在波长一定时，不同物质的折射率越大，在波长一定时，不同物质的折射率越大，也越大；也越大；ddn3.实验曲线实验曲线 介质的色散曲线介质的色散曲线
33、可见光可见光重火石玻璃重火石玻璃轻火石玻璃轻火石玻璃水晶水晶冕玻璃冕玻璃荧石荧石n1.701.601.501.4002001000800 400600nm/介质的色散曲线介质的色散曲线 2.2.反常色散反常色散：波长越短，折射率越小的色散波长越短，折射率越小的色散.孔脱定律：反常色散总是与光孔脱定律：反常色散总是与光的吸收有密切联系。的吸收有密切联系。“反常反常”色散实际上也是很色散实际上也是很普遍的，普遍的，“反常反常”并不反并不反常，常，“反常反常”色散和色散和“正正常常”色散仅是历史上的名色散仅是历史上的名词。词。4.色散色散类型类型正常正常:(紫紫端色散大端色散大)反常反常:(红红端色
34、散大端色散大)0 ddnn;|ddnD|ddnD孔脱定律：有选择吸收的地方，必有色散孔脱定律：有选择吸收的地方，必有色散.对一般的对一般的“透明透明”物质物质,反常色散总是发生在不可反常色散总是发生在不可见光波段见光波段,(因可见光部分无吸收因可见光部分无吸收).因此因此,在可见光在可见光区见到的都是正常色散区见到的都是正常色散.0 ddnn一种透明物质（如石英）在红外区的反常色散一种透明物质（如石英）在红外区的反常色散.P287 图图618正常色散与反常色散曲线正常色散与反常色散曲线例6.3 由a=1.53974和b=4.5628103nm2的玻璃构成的折射棱角为500的棱镜。当棱镜位置放得
35、使它对550nm的波长处于最小偏向角时，试计算这棱镜的角色散率？解：根据角色散率的定义和棱镜的性质，得qddnAnAddD2sin12sin222-由柯西公式得折射率为55428.12+ban将n和d/d的数值代入得)104849.5(250sin55482.11250sin2150220-nmddDqnmrad/101502.65-可看成是光与束缚电子的相互作用可看成是光与束缚电子的相互作用！洛伦兹洛伦兹 电子电子 弹簧振子模型弹簧振子模型 对对 n=n(0,)，麦氏方程不能解释，麦氏方程不能解释.因非单色因非单色光入射时，光入射时，)()(tEtD 不成立不成立.阻尼力产生的原因阻尼力产生
36、的原因:电子激发电磁场的同时电子激发电磁场的同时,电磁场对电子也有反作用电磁场对电子也有反作用.a.辐射阻尼（郭硕鸿辐射阻尼（郭硕鸿 P.325）b.电子电磁质量产生的阻尼电子电磁质量产生的阻尼*6.5 吸收、散射、色散的经典理论吸收、散射、色散的经典理论受力受力 外电场（光）的强迫力外电场（光）的强迫力:qE 核束缚核束缚 准弹性力准弹性力:-r 阻尼力阻尼力:-g gv tieEEam 020 令得：由FtieEmqrdtdrdtrd g g02022+稳态解稳态解:tieEimqr g g 02201+-3.0 高频散射高频散射.(x射线、射线、g g 射线的散射，射线的散射，波长波长
37、re电子半径的条件仍成立，电子半径的条件仍成立，g g),s无无关关与与 4.=0 共振现象共振现象.强烈吸收入射波然后再发射强烈吸收入射波然后再发射.按量子力学观点按量子力学观点.即从一能级到另一能级的跃迁即从一能级到另一能级的跃迁.拉曼，布里渊散射拉曼，布里渊散射./E 0 电极化强度电极化强度:tieEimNqNqrp g g 022021+-5.吸收和色散现象吸收和色散现象 成自由电子散射，即成自由电子散射，即 汤姆逊散射汤姆逊散射.消光现象中，将光能转换成其它形式的能量，是吸收(absorption)现象；什么是瑞利散射？瑞利定律如何表述？光照射物质时，策动物质中的电子和原子核振荡，
38、由于核的质量比电子重得多，故只考虑电子的振荡即:电偶极子振荡斜方c 部分偏振，正对x 自然光.电子电磁质量产生的阻尼坡印廷矢量的绝对值为:(是电磁波能流密度矢量，叫做坡印廷矢量)同一种物质在不同波长区的角色散率有不同的值：1）悬浮质点的散射.在均匀介质中,光能沿着折射光线方向传播,在这种情形下,光朝各个方向散射是不可能的.用惠更斯 菲涅耳原理可解释.解释1：均匀介质中的直线传播定律.辐射阻尼（郭硕鸿 P.（主要是因为：经典模型中将偶极振子假定为简谐的,偶极辐射的位相与入射场的相位无关）.表面色：物体的颜色是由于物体表面的选择反射形成的，所以叫作表面色在均匀介质中,光能沿着折射光线方向传播,在这
39、种情形下,光朝各个方向散射是不可能的.表面色：物体的颜色是由于物体表面的选择反射形成的，所以叫作表面色一般吸收：在一定的波长范围内，若某种媒质对于通过它的各种波长的光波都作等量(指能量)吸收且吸收量很小，则称这种媒质具有一般吸收性即 对各个波长的光,吸收都相同.反射和折射是由于两种介质界面上分子性质的不连续性而引起的。光能振动能平动能热能RS RS BS BS)(而10极极化化率率eereEp +22222022002)()(g g +-mNqRee22222002)()(g g g g +-mNqIem一般吸收区一般吸收区:弱吸收弱吸收 g g 0 （瑞利、米散射时）（瑞利、米散射时）eer
40、Rn +11令令:20020 mNq 称为称为:低频电极化率低频电极化率.则有则有:21200200)(11)(11-+-+/n4220)(2111 CBAne+柯希公式柯希公式选择吸收区选择吸收区:强吸收强吸收 =0 （拉曼、布里渊散射时）（拉曼、布里渊散射时）222220200)()(2g g g g +-emIng g n20000 最大消光系数最大消光系数einN +1)(221.50.51.0 0 0 k吸收谱线宽度吸收谱线宽度:2)(20222220200 g g g g +-ng gg g g g 21)(2222200+-即即:g gg gg g 21)4(1200+-/显然显
41、然:v g g2)(20 -6.洛伦兹洛伦兹 电子电子 振子模型振子模型 的局限性的局限性（主要是因为：经典模型中将偶极振子假定为简（主要是因为：经典模型中将偶极振子假定为简谐的谐的,偶极辐射的位相与入射场的相位无关）偶极辐射的位相与入射场的相位无关）.而量子电偶极子（平均电荷分布或电子几率密度）而量子电偶极子（平均电荷分布或电子几率密度）作振动作振动,其辐射光的相位与被驱动的入射场存在一个其辐射光的相位与被驱动的入射场存在一个最佳相互作用时间，从而实现增益最佳相互作用时间，从而实现增益(激光放大激光放大).不能象量子理论给出不能象量子理论给出 粒子数反转粒子数反转,受激放大受激放大 的结果的
42、结果.讨论题（6）1.光通过物质时，它的传播情况会发生哪些变化？这些变化会表现出哪些现象？2.光的吸收、散射和色散三种现象都是由啥引起的？实质上是由啥引起的？3.光的吸收有哪两种？4.朗伯定律和比尔定律的数学表达式为何？5.什么是瑞利散射？瑞利定律如何表述？6.为什么晴朗的天空呈浅蓝色？7.清晨日出或傍晚日落时，看到的太阳呈红色，这是什么缘故？8.红光和蓝光通过薄雾时，谁的散射较强？9.光的色散有哪两种？显示色散最清楚的方法是什么？10.柯西方程是怎样表示的？孔脱定律是如何表述的？BS光能振动能平动能热能 光在物质中传播的速度将小于真空中的速度且随频率而变化光的色散。因此,在可见光区见到的都是
43、正常色散.为什么晴朗的天空呈浅蓝色？称为:低频电极化率.解释1：均匀介质中的直线传播定律.定义：当光束通过光学性质不均匀的物质时从侧面可以看到光的现象，称为光的散射。波长越短，折射率越大；辨别方向（因磁罗盘在南北极无用）.辨别方向（因磁罗盘在南北极无用）.对一般的“透明”物质,反常色散总是发生在不可见光波段,(因可见光部分无吸收).只要分子的密度是均匀的,次波相干迭加的结果只剩下遵从几何光学规律的光线.=0 共振现象.散射、反射、漫射、衍射的区别例如:被黄金薄膜反射的光呈现黄色，而由它们透射的光则是绿色洛伦兹 电子 振子模型 的局限性对液体遵从比尔定律对介质遵从朗伯定律（或布格尔定律）.辐射阻
44、尼（郭硕鸿 P.色散光谱（由棱镜折射而成）是非匀排的，衍射光谱（光栅）的谱线是匀排的。稳定非均匀介质 a 不变,弹性散射(瑞利散射、米氏散射）因而叠加这些次波的光强，可得散射光强和波长的四次方成反比的瑞利定律。可看成是光与束缚电子的相互作用！表面色：物体的颜色是由于物体表面的选择反射形成的，所以叫作表面色“次波”发射中心的排列：当棱镜位置放得使它对550nm的波长处于最小偏向角时，试计算这棱镜的角色散率？辨别方向（因磁罗盘在南北极无用）.在一个分子的不同部分上,入射光的位相差可以忽略不计.布里渊散射:晶体中的声波参与了能量交换.解释1：均匀介质中的直线传播定律.（2）实质上是由光和原子中的电子
45、相互作用引起的。光束越深入物质，强度将越减弱第六章光的吸收散射和色散ppt课件RS RS BS BS而量子电偶极子（平均电荷分布或电子几率密度）作振动,其辐射光的相位与被驱动的入射场存在一个最佳相互作用时间，从而实现增益(激光放大).正常色散:波长越短折射率越大的色散。同样强度的光通过不同吸收物质的不同厚度,而产生相等的吸收的条件为:大气窗口：115 mm之间有7个，反映大气中水蒸汽、二氧化碳和臭氧的含量.反常色散：波长越短，折射率越小的色散.讨论题答案（6）1.答（1）光通过物质时，它的传播情况会发生两种变化一是，光束愈深入物质，强度将愈减弱；二是，光在物质中传播的速度将小于真空中的速度，且随频率而变化。（2）这些变化会表现出光的吸收、散射和色散三种现象。2.答（1）光的吸收、散射和色散三种现象都是由光和物质的相互作用引起的。（2）实质上是由光和原子中的电子相互作用引起的。3.答光的吸收有一般吸收和选择吸收两种。
