11-4 光的吸收、色散和散射 物理光学 教学课件.pptVIP

第四节 光的吸收、色散和散射（absorption、dispersion、scatting） 一、光的吸收 光在介质内传播时，介质中的束缚电子在光波电场作用下做受迫振动，光波要消耗能量激发电子的振动。 光的吸收、色散和散射是光与物质相互作用的表现。 (一）吸收定律——物质对光吸收的一般规律 1、朗伯定律 2、比尔定律 1、朗伯定律 一束单色平行光在某种介质中沿x方向行进，通过厚度为dx的薄层后光强变为I-dI，实验表明：光强的减少量dI与光强I及通过的介质厚度dx成正比，即 O x I0 I 或 朗伯定律：表示由于物质对光的吸收，随着光进入物质的深度的增加，光的强度按指数规律衰减，它反映了光与物质的线性相互作用，适用于不太强的光束，对激光不成立。 2、比尔定律 当光通过溶解于透明溶剂中的物质而被吸收时，实验证明，当溶液浓度不太大时，吸收系数 与溶液浓度C成正比，其吸收规律表示为 式中 与浓度C无关的常量。比尔定律只适用于低浓度溶液。 由上面分析知，各种物质的吸收系数相差很大。光在空气中传播时吸收很少，但极薄的金属片就能吸收掉通过它的光能，呈现出对光的不透明性。 （二）吸收的波长选择性 1、大多数物质在可见光区的吸收具有波长选择性。 如红玻璃对绿光、蓝光和紫光几乎全部吸收，对红光、橙光吸收很少，所以白光照射红玻璃时，只有红光能通过，玻璃呈现红色。 2、物质吸收的波长选择性可用它的吸收系数和波长的关系曲线表示。 3、物质的吸收线或吸收带的位置即波长值与该物质的发射光谱线或光谱带的位置一致。 二、光的色散 色散：指光在物质中传播时其折射率（传播速度）随光波频率（波长）而变的现象。 （一）正常色散和反常色散 正常色散：是发生在物质透明区（物质对光的吸收很小）内的色散，其折射率随光波长的增大而减小，色散曲线 呈单调下降，其规律可用经验公式— 1、科希公式： 反常色散：发生在物质吸收区内，其折射率随波长的增大而增大。 三、光的散射 光的散射是指由于物质中存在的微小粒子对光束的作用，使光波偏离原来的传播方向而向四周散开的现象。 （一）瑞利散射和米氏散射---线性散射 瑞利散射：指散射粒子线度比波长小得多的粒子对光波的散射。 米氏散射：指粒子线度大于 的较大微粒散射。 利用光波作用于物质中分子、原子所导致的电偶极子振荡解释散射现象。当光波射入介质中时，会激发起介质中电子做受迫振动而发出次级电磁波，对于均匀介质，这些次波叠加使光波沿着反射和折射定律方向传播，不发生散射。当介质非均匀时，介质内有悬浮微粒而由入射波激发起的次波的振幅和相位不完全相同，则次波干涉的结果使在非透射方向上不能完全抵消而造成散射光。 适用于微粒线度在 以下的情况 瑞利散射的特点： 1、瑞利散射定律：散射光强与入射波长（频率）的四次方成反比（正比），即 它表明散射光中短波长的光占优势。如天空呈蔚蓝色。 2、散射光强随观察方向而变：散射光强的角分布为 是与入射光方向成 角方向上的散射光强，I0是 方向上的散射光强。 3、散射光具有偏振性，并与 角有关。 自然光入射各向同性媒质中，在垂直于入射方向上的散射光是线偏振光；在原入射方向及其逆方向上散射光仍是自然光，而在其它方向上是部分偏振光，偏振程度与 角有关。而在各向异性媒质中散射光在与入射光垂直方向上是部分偏着光。 （二）喇曼散射和布里渊散射----非线性散射 前面的瑞利散射和米氏散射是散射光与入射光频率相同的。而在纯净液体和晶体内的散射，其散射光中出现与入射光频率不同的成分，这种散射是喇曼散射，其主要特征是： 1、在与入射光频率 相同的散射谱线两侧对称分布着频率为 强度较弱的散射谱线。 2、频率差 与散射物质的分子的固有振动频率一致，与入射光频率 无关。 布里渊散射：发生在晶体中，光通过由热波产生声波的介质，散射光频谱中除了包含原来的入射光频率外（瑞利散射），其两侧还有布里渊双重线。 【例题1】 一根长为35cm的玻璃管，由于管内细微烟粒的散射作用，使透过光强为入射光强的65%，待烟粒沉淀后，透过光强增大为入射光强的88%，求该管对光的散射系数和吸收系数（假设烟粒对光只有散射而无吸收) 解：同时考虑吸收和散射，透射光强为 则有 当烟粒沉淀后只考虑管内其他物质的吸收，透射光强为 则有 联立得到