Post on 31-Dec-2015
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第六章 光的吸收、散射和色散
主 要 内 容
6.1 电偶极辐射对反射、折射现象的解释
6.2 光的吸收
6.3 光的散射
6.4 光的色散
6.5 色散的经典理论
6.1 电偶极辐射对反射、折射现象的解释
1 、电偶极子模型(理想模型)
用一组简谐振子来代替实际物质的分子,每一振子可认为是一个电偶极子,由两个电量相等,符号相反的带电粒子组成,电偶极子之间有准弹性力作用,能作简谐振动。
两种振子:
电子振子:核假定不参加运动,准弹力的中心。
分子振子:质量较大的一个粒子可认为不参加运动
电偶极子模型
222
4220
2 sin32
1
CR
AeEc
ISo
2 、电偶极辐射对反射和折射现象的初步解释
解释 1:各向同性均匀物质中的直线传播
解释 2:反射与折射
解释 3:布儒斯特定律
6.2 光的吸收
一般吸收:吸收很少,并且在某一给定波段内几乎是不变的;——可见光(石英)
选择吸收:吸收很多,并且随波长而剧烈地变化。——红外光( 3.5 ~ 5.0µm ) (石英)
任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。
一、朗 伯 定 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) 。
称为布格定律( Bouguer law )或朗伯定律。该定律是布格( P.Bouguer , 1698—1758 )在 1729 年发现的,后来朗伯( J.H.Lambert , 1728—1777 )在 1760 年又重新作了表述。
AcleII 0比尔定律
稀溶液中 ,有
dxI
dIa
I
I
l
a axI
dI
0 0
laeII 0
二、吸 收 光 谱
• 连续光谱通过选择吸收的介质后,用用光计可看出,某些线段或某些波长的光被吸收——吸收光谱。
下图为钠蒸汽的吸收光谱
6.3 光的散射
定义:当光通过光学性质不均匀的物质时,从侧向都可以看到光的现象叫光的散射。
分类:
规律: ll eIeII sa 0)(
0
:a 衰减系数
:s 散射系数
布里渊散射
受激拉曼散射自发拉曼散射
拉曼散射非线性
l
l
米氏散射:线度瑞利散射:线度
线性10/
一、非均匀介质中的散射
光学性质的不均匀:
( 1)均匀物质中散布着折射率与它不同的大量微粒
( 2)物质本身的组成部分(粒子)不规律的聚集
例:尘埃、烟、雾、悬浮液、乳状液、毛玻璃等。
特征: 杂质微粒的线度小于光波长,相互间距大于波长,排列毫无规则, 在光照下的振动无固定位相关系,任何点可看到它们发出次波的 迭加,不相消,形成散射光。
二、散射和反射,漫射和衍射的区别
1. 散射与直射、反射及折射的区别:“次波”发射中心排列的不同 ,散射时无规则,而后者有规则。
2. 散射与漫反射的区别:次波中心的排列仍有某些不同的方向性
3. 散射与衍射的区别:
衍射:因个别的不均匀区域(孔、缝、小障碍等)所形成的,不均匀区域范围大小≈。
散射:大量排列不规则的非均匀小“区域”的集合所形成的,非均匀小区域的线度 < 。
三、瑞利散射
1. 瑞利散射: 的微粒对入射光的散射现象。
2. 瑞利定律:散射光强度与波长的四次方成反比, 即:
为光源中强度按波长的分布函数
3. 应用:红光散射弱、穿透力强
(信号旗、信号灯)
→红外线(遥感等)
l
4)( fI
)(f
四、散射光的偏振
从正侧面:平面偏振光从斜侧(侧 C):部分偏振光
X 轴:自然光
各向同性介质:入射光为自然光
各向异性介质:入射光为线偏振光
偏振度: xy
xy
II
IIP
侧向:部分偏振光
退偏振度: p 1
五、散射光强度 散射光强度相对入射光传播方向是对称的,对于垂直于入射光束的
方向也是对称的。
入射光为自然光,则在 C(在 XOZ 平面内)方向观察
其中:
)cos1( 20 IIII zy
0II y 20 cosIIZ
六、分子散射
定义:由于物质分子密度的涨落而引起的散射叫分子散射。
晴朗的天空呈浅蓝色
清晨日出或傍晚日落时,太阳呈红色
白昼的天空是亮的
6.4 光的色散1 、色散的特点: (1)可用角色散率 表示 .
(2) 棱镜折射而成的色散光谱是非匀排的
(3)光栅产生的衍射光谱是匀排的。
(4)同一种物质在不同波长区的角色散率有不同的值:
如棱镜的角色散率为
要研究色散,重要的是找 在各波长区的值,或者找出 n=f( λ)
的函数形式
d
dD
ddn
An
A
D
2sin1
2sin2
22
ddn
——显示色散最清楚的方法
2 、正交棱镜观察法
3 、正常色散与反常色散(1). 正常色散 :波长越短折射率越大的色散。 • 柯西方程:
• 经验公式, a、 b、 c为常数。
一般:
• 色散曲线的特点:
①波长越短,折射率越大;
②波长越短, 越大,角色散率也越大; ③在波长一定时,不同物质的折射率越大 , 也越大;
④不同物质的色散曲线没有简单的相似关系 .
42 cb
an
.2
d
d,
32 bnb
an
ddn
ddn
(2). 反常色散:波长越短,折射率越小的色散 .
孔脱定律:反常色散总是与光的吸收有密切联系。
“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。
6 .5 、色散的经典理论
设 不是恒量,而是随着频率变化,那么仍可由麦氏 关系来推得色散方程
rn r)(fn
由洛伦兹的经典电子论,得到电磁场频与介电常数的关系,由此得到与折射率的关系,解决了麦克斯韦理论的最初困难 ,阐明了色散现象。
利用电偶极子模型
E
Px
EXP
r
0
0
11
42
42322
12
1
82
cb
a
M
N
M
NMn最后可得到
即柯希公式