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第七章:光的吸收、色散和散射

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第七章:光的吸收、色散和散射 - PowerPoint PPT Presentation


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第七章:光的吸收、色散和散射. 在光束通过物质时,它的传播情况将要发生变化。首先光束越深入物 质,它的光强将越减弱,这是由于一部分光的能量被物质所吸收,而另一 部分光向各个方向散射所造成的,这就是光的吸收和散射现象。其次,光 在物质中的速度将小于光在真空中的速度,并将随频率而改变,这就是光 的色散现象,光的吸收、散射和色散这三种现象,都是由于光与物质的 相互作用引起的,实质上是由光与原子中的电子相互作用引起的。这些现 象是不同物质光学性质的主要表现,对它们的讨论可以为我们提供关于原 子、分子和物质结构的信息。本章侧重于对现象及其唯象规律的描述,并

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Presentation Transcript
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第七章:光的吸收、色散和散射

在光束通过物质时,它的传播情况将要发生变化。首先光束越深入物

质,它的光强将越减弱,这是由于一部分光的能量被物质所吸收,而另一

部分光向各个方向散射所造成的,这就是光的吸收和散射现象。其次,光

在物质中的速度将小于光在真空中的速度,并将随频率而改变,这就是光

的色散现象,光的吸收、散射和色散这三种现象,都是由于光与物质的

相互作用引起的,实质上是由光与原子中的电子相互作用引起的。这些现

象是不同物质光学性质的主要表现,对它们的讨论可以为我们提供关于原

子、分子和物质结构的信息。本章侧重于对现象及其唯象规律的描述,并

用经典电子论对这些现象作进一步的解释。

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§1光的吸收

1.1 光的线性吸收规律

光通过物质时,光波中振动着的电矢量,将使物质中的带电粒子作受迫振动,光的部分能量将用来提供这种受迫振动所需要的能量,这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞,振动能量就会转变为平动动能,从而使分子热运动能量增加,物体发热。光的部分能量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能,从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象,称为光的吸收(absorption)。

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布格定律或朗伯定律

对于液体:

其中A是一个与浓度无关的常数,C是液体的浓度。

比尔定律

slide4

1、2 复数折射率的意义

平面电磁波中电场强度可写为

引入复数折射率

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光强:

----衰减指数

可见,介质的吸收可归并到一个复数折射率

的概念中去,

的实部就是一般所说的介质折射率,

的虚部表示因

介质的吸收而产生的电磁波衰减。

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1、3 光的吸收与波长的关系

普遍吸收:吸收系数与波长无关。

选择吸收:吸收系数与波长有关。

1、4 吸收光谱

线状谱

原子气体

带状谱

分子气体、液体和固体

连续谱

白光

同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系,即

物质自身发射哪些波长的光,它就强烈吸收这些波长的光

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吸收光谱

光电探测器

单色仪

记录仪器

入射光(白光)

吸收体(样品)

入射狭缝

透射光

出射狭缝

暗线

带状谱

线状谱

吸收带

能级

能带

受激吸收

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§2光的色散

这种光在介质中的传播速度(或介质的折射率)随其频率

(或波长)而变化的现象,称为光的色散现象

色分辨本领

角色散本领

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2、1 正常色散

实验表明,凡在可见光范围内无色透明的物质,它们的色

散曲线在形式上很相似,这些曲线的共同特点是,折射率n以及

色散率的数值都随着波长的增加而单调下降,在波长很长时折

射率趋于定值,这种色散称为正常色散。

科希(A.L.Cauchy)给出了正常色散的经验公式

slide10

牛顿正交棱镜实验

牛顿正交棱镜实验

柯希公式

slide11

2、2 反常色散

实验表明,在发生强烈吸收的波段,色散曲线中折射率

随着波长的增加而增大,与上述正常色散曲线大不相同。尽

管通常把这种色散称为反常色散,但实际上它反映了物质在

吸收区域内所普遍遵从的色散规律。在吸收区域以外,物质

的色散曲线仍属于正常曲线。

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反常色散

吸收带

在吸收带中,光不能通过,无法测折射率

光的色散在这一区域的表现被称为反常色散

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2、3 相速与群速

对于各向同性媒质,在提到波速时,都指的是波面(等位相

面)传播的速度,即相速。在惠更斯原理中如此,在波函数的

表达式中也如此。本节中将用

代表它。

在真空中所有波长的电磁波以同一相速

传播。在色散媒

中只有理想的单色波具有单一的相速。然而理想的单色波是

不存在的,波列不会无限长。一列有限长的波相当于许多单色

波列的迭加,通常把由这样一群单色波组成的波列叫做波包。

当波包通过有色散的媒质时,它的各个单色分量将以不同的相速

前进,整个波包在向前传播的同时,形状亦随之改变。我们把波

包中振幅最大的地方叫做它的中心,波包中心前进的速度叫做

群速,记作

slide14

群速代表光能量(或信号)的传播速度

关于光速的测量,主要有两种方法,信号法和折射率法。

信号法有斐索(A.H.L.Fizeau)齿轮法、傅科(J.B.L.Focault)

转镜法、迈克耳逊转镜法和克尔盒法等,其基本原理是测量出光

信号在空间传播的距离

,通过两者之比求得光的

与所需时间

速度(群速)。

折射率法的基本原理是惠更斯原理,

测得的速度是相速。

slide17

这调制波列有一系列的最大值,因而它还算不得是一个典型这调制波列有一系列的最大值,因而它还算不得是一个典型

的波包。要得到一个真正的波包,需有更多频率和波长相近的

波迭加在一起。不过由上述两列波合成的调制波已可推导出正

确的群速公式了。

slide18

,它相当于“波包”的相速

高频波的传播速度为

低频包络的传播速度为

,这就是“波包”的群速

--瑞利的群速公式

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定义“群速折射率”:

正常色散

反常色散

无色散

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§3 光的散射

3.1 光的散射现象及其分类

A 散射现象 当光束通过均匀的透明介质时,从侧面是难以

看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时,则从各个方向都

可以看到光,这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结

果,这种现象称为光的散射。例如,当一束太阳光从窗外射进室

外内时,我们从侧面可以看到光线的径迹,就是因为太阳光被空

气中的灰尘散射的缘故。

B 原因:物质中的杂质微粒或不规则排列的物质微粒在光波

作用下所产生的受迫振动,因彼此间无固定的相位关系,从而使

各微粒所发出的次波在空间各点发生非相干叠加,形成散射光。

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C 分类

根据散射光波长是否变换可分为:

1)波长不变:瑞利散射、米氏散射、分子散射;

2)波长改变:拉曼散射、布里渊散射;

按照介质不均匀结构的性质,散射可以分为以下两大类:

1)悬浮微粒的散射,例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾

或灰尘的大气中的散射。瑞利散射、米氏散射属于这种情况。

2) 分子散射(molecular scattering),这是由于分子

热运动造成的密度局部涨落而引起的光的散射。例如,即使是

光学性质完全均匀的物质,当它处在临界点附近时,密度涨落

很大,光照射其上就会发生强烈的分子散射,这就是所谓临界

乳光现象。

slide22

3、2 瑞利散射和米氏散射

通常我们把线度(~

)小于光的波长的微粒对入射光的

散射,称为瑞利散射(Rayleigh scattering)。瑞利散射不

改变原入射光的频率。

瑞利散射定律

越小

越强

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把线度~

的微粒对入射光的散射,称为米氏散射。

颗粒越大,

越小

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散射几率

米氏区

瑞利区

0.01

0.1

1

10

100

Rayleigh Scatter

Mie-Debye Scatter

a----颗粒半径

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白昼天空之所以是亮的,完全是大气散射阳光的结果。如白昼天空之所以是亮的,完全是大气散射阳光的结果。如

果没有大气,即使在白昼,人们仰观天空,将看到光辉夺日的

太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象是宇航员司空见惯的(大气

层外漆黑一片中有点点亮点)。由于大气的散射,将阳光从各

个方向射向观察者,我们才看到了光亮的天弯。按瑞利定律,

白光中的短波成分(蓝紫色)遭到的散射比长波成分(红黄色)强

烈得多,散射光乃因短波的富集而呈蔚蓝色;大气的散射—部

分来自悬浮的尘埃,大部分是密度涨落引起的分子散射。后者

的尺度往往比前者小得多,瑞利

反比律的作用更加明显。

所以每当大雨初过、玉宁澄清了万里

埃的时候,

天空总是蓝得

格外美丽可爱。其道理就在这里。

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旭日和夕阳呈红色.与天空呈蓝色属于同一类现象。由于白旭日和夕阳呈红色.与天空呈蓝色属于同一类现象。由于白

光中的短波成分被更多地散射掉了,在直射的日光中剩余较多的

自然是长波成分了。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层,经历大

气层的厚度要比中午时大得多,从而大气的散射效应要强烈得多。

这便是旭日初升和夕阳西下时颜色显得特别殷红的原因。而中午

的太阳呈白色。

白云是大气中的水滴组成的,因为这些水滴的半径与可见光的波长相比已不算太小了,瑞利定律不再适用。按米—德拜的理论,这样大小的物体产生的散射与波长的关系不大,这就是云雾呈白色的缘故。