《光學教程》(姚啟鈞)第六章光的吸收、散射和色散

電偶極子(electricdipole)：一對靠得很近的等量異號的點電荷組成的系統(tǒng)。,電偶極矩(electricdipolemoment),電磁波輻射,電偶極子,6.1電偶極輻射對反射和折射現(xiàn)象的解釋,R代表觀察者離偶極子距離,1電偶極子模型,光通過物質(zhì)時，各分子將依次按入射光到到達該分子時的相位做受迫振動。,做受迫振動的各分子將依次發(fā)出次級電磁波。,能初步解釋直線傳播、折射和反射等現(xiàn)象。,2對反射和折射現(xiàn)象的初步解釋,6.2光的吸收,一般吸收：若物質(zhì)對各種波長的光的吸收程度幾乎相等，即吸收系數(shù)a與無關(guān)，則稱為一般吸收.在可見光范圍內(nèi)的一般吸收意味著光束通過媒質(zhì)后只改變強度，不改變顏色。例如空氣、純氣、無色玻璃等媒質(zhì)都在可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生一般吸收。選擇吸收：若物質(zhì)對某些波長的光的吸收特別強烈，則稱為選擇吸收。對可見光進行選擇吸收，會使白光變?yōu)椴噬?，絕大部分物體呈現(xiàn)顏色，都是其表面或體內(nèi)對可光進行選擇吸收的結(jié)果。,1一般吸收和選擇吸收,從廣闊的電磁波譜來考慮，一般吸收的媒質(zhì)是不存在的，在可見光范圍內(nèi)一般吸收的物質(zhì)，往往在紅外和紫外波段內(nèi)進行選擇吸收，故而選擇吸收是光和物質(zhì)相互作用的普遍規(guī)律，以空氣為例，地球大氣對可見光和波長在3000埃以上的紫外是透明的，波長短于3000埃紫外線將被空氣中的臭氧強烈吸收，對于紅外輻射，大氣只在某些狹窄的波段內(nèi)是透明的。這些透明的波段稱為“大氣窗口”。這里的主要吸收氣體是水蒸汽，所以大氣的紅外窗口與氣象條件有密切關(guān)系。制作分光儀器中棱鏡、透鏡的材料必須對所研究的波長范圍的透明的，由于選擇吸收，任何光學材料在此外和紅外端都有一定的透光極限。紫外光譜儀中的棱鏡需用石英制作，紅外光儀中的棱鏡則常巖鹽或CaF2、LiF等晶體制成。,如圖6-1所示，光強為I0的單色平行光束沿x軸方向通過均勻物質(zhì)，在經(jīng)過一段距離x后光強已減弱到I，再通過一無限薄層dx后光強變?yōu)镮+dI（dI0，與上述正常色散曲線大不相同。盡管通常把這種色散稱為反常色散（anomalousdispersion），但實際上它反映了物質(zhì)在吸收區(qū)域內(nèi)所普遍遵從的色散規(guī)律。在吸收區(qū)域以外，物質(zhì)的色散曲線仍屬于正常曲線。,反常色散,6.5色散的經(jīng)典理論,復數(shù)折射率的意義n透明媒質(zhì)折射率的本意是=c/v。即真空光速c與媒質(zhì)中光速v之比，在媒質(zhì)中沿x方向傳播的平面電磁波中電場強度可作如下復數(shù)形式：這里n是實數(shù)，電磁波不隨距率衰減，如果我們形式地把折射看成是復數(shù),光強則為代表一個隨距離x衰減的平面波，故k稱為衰減指數(shù)，衰減指數(shù)k與吸收系數(shù)a的關(guān)系是這里是真空中波長，由此可見，媒質(zhì)的吸收可歸并到一個數(shù)折射率的概念中去，折射率的虛部反映了因媒質(zhì)的吸收而產(chǎn)生的電磁波衰減。,光線通過均勻的透明媒質(zhì)(如玻璃、清水）時，從側(cè)面是難以看到光線的。如果媒質(zhì)不均勻，如有懸浮微粒的渾濁液體，我們便可從側(cè)面清晰地看到光束的軌跡，這是媒質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結(jié)果。光的散射與不均勻性的尺度有很大關(guān)系，下面我們就這個問題作稍細的解釋。,如果媒質(zhì)的均勻性遭到破壞，即尺度達到波長數(shù)量級的鄰近媒質(zhì)小塊之間在光學性質(zhì)上（如折射率）有較大差異，在光波的作用下它們將成為強度差別較大的次波源，而且從它們到空間各點已有不可忽略的光程差，這些次波相干迭加的結(jié)果，光場中的強度分布將與上述均勻媒質(zhì)情形有所不同，這時，除按幾何光學規(guī)律傳播的光線外，其它方向或多或少也有光線存在，這就是散射光，由此可見，尺度