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