7光与介质相互作用的经典理论.PPT

* 第7章 光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light ) 前面几章讨论了光在均匀介质中传播时，因光的波动性所产生的一系列现象和规律。实际上，由于光在传播过程中与介质的相互作用，还会使光的特性发生某些变化。 第7章 光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light ) 因介质对光波的吸收, 会使光强度减弱;不同波长的光在介质中传播速度不同, 并按不同的折射角散开，会发生光的色散; 光在介质中传播时, 会产生散射。 本章只介绍光与介质相互作用的经典理论，对于处理光与介质相互作用的严格理论—量子理论，因超出本教材的要求, 不予讨论。 第7章 光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light ) 第7章 光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light ) 麦克斯韦电磁理论的最重要成就之一就是将电磁现象与光现象联系起来，利用这个理论正确地说明了光在介质中传播时的许多重要性质。 7.1 光与介质相互作用的经典理论 (Classical theory of interaction between light and medium) 麦克斯韦电磁理论在说明光的传播现象时,对介质的本性作了过于粗略的假设,即把介质看成是连续的结构，在解释光的色散现象时遇到了困难。 7.1 光与介质相互作用的经典理论 (Classical theory of interaction between light and medium) 在此，只介绍洛仑兹提出的电子论,利用这种建立在经典理论基础上的电子论来解释光的吸收、色散和散射，虽然比较粗浅，却能定性地说明问题。 7.1 光与介质相互作用的经典理论 (Classical theory of interaction between light and medium) 洛仑兹的电子论假定:组成介质的原子或分子内的带电粒子被准弹性力保持在它们的平衡位置附近,并且具有一定的固有振动频率。 1．经典理论的基本方程 在入射光的作用下，介质发生极化、带电粒子依入射光频率作强迫振动。 1．经典理论的基本方程 由于带正电荷的原子核质量比电子大许多倍,可视正电荷中心不动,而负电荷相对于正电荷作振动。正,负电荷电量的绝对值相同，构成了一个电偶极子。 1．经典理论的基本方程 q 是电荷电量, r 是从负电荷中心指向正电荷中心的矢径。 电偶极矩为 + － 1．经典理论的基本方程 同时,这个电偶极子将辐射次波。利用这种极化和辐射过程，可以描述光的吸收、色散和散射。 1．经典理论的基本方程 假设只有一种分子，并且不计分子间的相互作用，每个分子内只有一个电子作强迫振动，所构成电偶极子的电偶极矩为 e 是电子电荷，r 是电子离开平衡位置的距离。 1．经典理论的基本方程 如果单位体积中有 N 个分子，则单位体积中的平均电偶极矩为 1．经典理论的基本方程 根据牛顿定律，作强迫振动的电子的运动方程为 等号右边的三项分别为电子受到的入射光电场强迫力、准弹性力和阻尼力。 1．经典理论的基本方程 E 是入射光场，且 引入衰减系数?=g/m,电子的固有振动频率 后，(3)式变为 1．经典理论的基本方程 求解这个方程, 可以得到电子在入射光作用下的位移,从而求出极化强度。因此, 该方程是描述光与介质相互作用经典理论的基本方程。 2．介质的光学特性 电子在光场作用下的位移r为 将该位移表示式代入(2)式中，可得极化强度的表示式 2．介质的光学特性 由电磁场理论，极化强度与电场的关系为 将该式与(6) 式进行比较，可以得到描述介质极化特性的电极化率? 的表达式。 2．介质的光学特性 ? 是复数，可表示为 ?＝??＋i???，其实部和虚部分别为 2．介质的光学特性 由折射率与电极化率? 的关系可知，折射率也应为复数，若用 表示复折射率，则有 2．介质的光学特性 如果将 表示成实部和虚部形式, ，则 2．介质的光学特性 将(11)式代入(10)式，并使等式两边的实部和虚部分别相等，得 *