光的吸收散射和色散

1、光通過物質(zhì)，其傳播情況發(fā)生變化，有兩個方面：一、光強(qiáng)隨光深入物質(zhì)而減弱：光能或被物質(zhì)吸收，或向各個方向散射所造成。二、物質(zhì)中光的傳速度小于真空中的，且隨頻率變化，光的色散。這都是光與物質(zhì)相互作用引起的，實質(zhì)上是光和原子中的電子相互作用引起的。§1 電偶極輻射對反射、折射現(xiàn)象的解釋一、電偶極子模型（理想模型）用一組簡諧振子來代替實際物質(zhì)的分子，每一振子可認(rèn)為是一個電偶極子，由兩個電量相等，符號相反的帶電粒子組成，電偶極子之間有準(zhǔn)彈性力作用，能作簡諧振動。兩種振子：原子內(nèi)部電荷的運(yùn)動（電子振子）：核假定不參加運(yùn)動，準(zhǔn)彈力的中心分子或原子電荷的振動和整個分子的轉(zhuǎn)動（分子振子）：質(zhì)量較大的一

2、個粒子可認(rèn)為不參加運(yùn)動經(jīng)典解釋模型電偶極子，向外輻射電磁波 離開原點的距離電動力學(xué)證明，電偶極子輻射電磁波矢R：觀察點與偶極子的距離由上面式子，光在半徑為R的球面上各點的位相相等（球面波）落后原點。但振幅則隨角度，即波的強(qiáng)度I（能流密度）在同一波面上。分布不均勻，見圖最大（赤道面上）在兩極即偶極子軸線方向上。二、電偶極輻射對反射和折射現(xiàn)象的初步解釋原子、分子：光波長：在固或液物中，可認(rèn)為在一個光波長范圍，分子的排列非常有規(guī)律，非常密集，或可以認(rèn)為是連續(xù)的?？傉f明：光通過物質(zhì)，各分子將依次按入射光到達(dá)該分子時的位相作受迫振動，在一分了的不同部分，入射光的位相差忽略不計。各分子受迫振動，依次發(fā)出電

3、磁波，所有這些次波保持一定位相關(guān)系（同惠一原理中次波）說明1：各向同性均勻物質(zhì)中的直線傳播所有分子振子在各方向有相同的圖有頻率，分子受迫振動發(fā)出次級電磁波將與入射光波迭加，從而改變合成波位相，改變了它的傳播速度（位相速度）說明2：反射與折射電射與折射是由于兩種介質(zhì)界面上分子性質(zhì)的不連續(xù)性所引起，用同樣模型可解釋。說明3：希儒斯特定律一個分子電偶極在E2的作用下，沿平行E2的Z軸方向作受迫振動所輻射的“次波”。反射光方向垂直于折射光方向時，反射光方向恰與軸平行，即在此方向無“次波”。如果入射角不等于布儒斯特角，即Z軸不與反射光平行，其夾角為，反射光強(qiáng)可用矢量I（圖中）的長度確定，實際情況要復(fù)雜些

4、。§2 光的吸收一般吸收：特點是吸收少例石英對可見光的吸收（幾乎是透明的）選擇吸收：吸收很多，并隨波長而劇烈變化。例：石英對的紅外光強(qiáng)烈。一、朗伯定律光矢量帶電粒子受迫振動為光矢提供的粒子與其它原子或分子碰撞振能平動能物體發(fā)熱光能變熱能（解釋）從能量觀點：朗伯提出假設(shè)：光在同一吸收物質(zhì)內(nèi)，通過同一距離時，到達(dá)該處的光能量中將有同樣百分比的能量被該層物質(zhì)吸收。：吸收系數(shù)，定不變。對可見光，實驗表明這規(guī)律在光強(qiáng)度變化非常大的范圍（1020倍）都正確?？諝猓翰ＡВ罕葼柖桑旱芤翰怀闪ⅲ瑵舛却?，分子間相互作用不可忽略，在比爾定律成立下，由光在溶液中被吸收的程度，決定溶液的濃度吸收光譜分析的

5、原理。二、吸收光譜連續(xù)光通過選擇吸收的介質(zhì)后，用用光計可看出，某些線段或某些波長的光被吸收吸收光譜。§3 光的散射當(dāng)光通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時，從側(cè)向都可以看到光，這現(xiàn)象叫光的散射。衰減系數(shù)散射系數(shù)一、非均勻方法中的散射光學(xué)性質(zhì)的不均勻：（1）均勻物質(zhì)中散?？凑凵渎逝c它不同的其它物質(zhì)的大量微粒；（2）物質(zhì)本身的組成部分（粒子）不規(guī)律的聚集。例：塵埃、煙、霧、懸浮液、乳狀液、毛玻璃等。特征：雜質(zhì)微料的線度一般小于光波長，相互間距大于波長，排列毫無規(guī)則，在光照下的振動無固定位相關(guān)系，任何點可看到它們發(fā)出次波的迭加，不相消，形成散射光。二、散射和反射，漫射和衍射的區(qū)別（1）散射：“次波”

6、發(fā)射中心排到不同，無規(guī)則，直射、反射、折射：有規(guī)則，物體線度遠(yuǎn)大于波長。（2）反射：反射定律僅在介質(zhì)表面是理想光滑平面（鏡面）的條件下方適用。（注：任何物質(zhì)表面永不可能是幾何平面，由于分子熱運(yùn)動，表面不斷變化，但只要“凸”、“凹”部分線度遠(yuǎn)小于光的波長，就可認(rèn)為是理想的光滑平面）（3）漫反射：實驗鏡面都不是理想的，因而產(chǎn)生漫反射，這時，可認(rèn)為是許多小鏡面反射的強(qiáng)度迭加，光從每小鏡面反射時仍可認(rèn)為逆從反射定律，只是這些小鏡面法線方向無秩序，但它們次波中的排列仍有某些不同的方向性，從側(cè)面看，有些地方看不見光。（4）散射與衍射的區(qū)別：衍射的不均勻區(qū)域（小孔，縫等）可與波長比擬。散射是大量排列到不規(guī)則

7、的非均勻小區(qū)域集合形成的小區(qū)域一般比小波長小，小區(qū)域雖有衍射，但由于不規(guī)則排列發(fā)生不相干迭加，總體看，觀察不到衍射現(xiàn)象。三、瑞利散射水中滴牛奶，渾濁物質(zhì)從正側(cè)面觀察（垂直入射光的傳播方向）Z：散射光帶青藍(lán)色，短波或分散多。X：光顯較紅。設(shè)入射光、分布則散射光強(qiáng)分布：這種線度小于光波長的微粒對入射光的散射現(xiàn)象通常稱為瑞利散射。解釋：散射光是受迫振子發(fā)生的次波已迭加，由在與角觀察時，成正比散射光頻與入射光同，則成反比 這規(guī)律說明了散射光中短波占優(yōu)勢，而直接通過物質(zhì)光的，由于缺少可短波成分，故顯紅。注：如果微粒線度超過波長，一個微粒內(nèi)各點入射光位相差不可忽略，因而強(qiáng)度與入之間沒這么簡單的關(guān)系（入冪次

8、低于4）。所以，紅光通過薄霧時，比蘭光穿透力強(qiáng)，因紅光散射物紅外線比紅色光穿透力更強(qiáng)，適用于運(yùn)距照相或遙感技術(shù)。四、散射光的偏振從正側(cè)面，用尼科爾棱鏡觀察平面偏振光，從斜側(cè)（側(cè)C）：部偏光X軸：自然光解釋：1對各向同性介質(zhì)（1）設(shè)入射光是平偏光，傳播方向，振方為，設(shè)備面同性粒子發(fā)生散射，受迫振動。電矢量也平行于軸次波是球面波，又波的電矢必須垂瞌睡傳播方向，所以在赤道平面上各是振幅最大在兩極處為零。 （2）入射光矢：振方在z方向，傳方仍為，將上圖轉(zhuǎn)900，此時是極，是赤道。（3）自然光入射，傳方，分解為兩束振方為和z在z方向觀察各見到沿y軸振動的光，因而是平偏光，在其它方向（CP），即為部偏光。

9、2、各向異性介質(zhì)情況較復(fù)雜，平偏光照射某些氣體或液體，從側(cè)向觀察，散射光變成部分偏振光，叫退偏振。如果入射偏光為x軸散射光，分別表示沿y和x軸振動，偏振度退偏振度： 五、散射光強(qiáng)度散射光強(qiáng)度相對入射光傳播方向是對稱的，對于垂直于入射光束的方向也是對稱的。設(shè)：觀察方向CO，作XOZ平面，在平面內(nèi)。（1）分子沿Z軸振動，次級波在CO上（2）分子沿軸振動，則不論如何，（3）如果是自然光則 六、分子散射由于物質(zhì)分子密度的漲落而引起的（密度的起伏取決于分子的無規(guī)則運(yùn)動（有統(tǒng)計意義）叫分子散射。晴朗的天空呈淺藍(lán)色大氣散射一部分來自懸浮的塵埃，大部分則是密度漲落引起的分子散射。瑞利反比律的作用更明顯。淺藍(lán)色

10、和藍(lán)色光比黃、紅光散射更厲害。白晝的天空之所以是亮的，完全是大氣散射陽光結(jié)果。否則太陽是一暗背景上的紅火球。清晨日出或傍晚日落時，太陽呈紅色，這是因為太陽查幾乎平行于地平面，穿過的大氣層最厚，所有較短波長幾乎朝側(cè)向散射，僅剩下波長較長的紅光到達(dá)觀察者，但此時仰觀天空仍是淺色，而云塊為陽光照射，亦呈紅色（朝、晚霞），正午太陽光穿過的大氣層最薄，散射不多，故太陽仍成白色。白云是大氣中的水滴組成，水滴的半徑與波長相比不算小，瑞利散射不再適用。因此，水滴產(chǎn)生的散射與波長的關(guān)系不太大，云霧呈現(xiàn)白色的緣由。§7-4 光的色散一、色散的特點可用角色散率表示，棱鏡折射而成的色散光譜是非勻排的光柵產(chǎn)生

11、的衍射光譜是非排的。二、正交棱鏡觀察法三、正常色散與反常色散正常色散 科希公式 可見光波段反常色散，吸收光譜§7-5 色散的經(jīng)典理論由洛倫茲的經(jīng)典電子論，得到電磁場頻與介電常數(shù)的關(guān)系，由此得到與折射率的關(guān)系，解決了麥克斯韋理論的最初困難（按麥理論，只與介電常數(shù)聯(lián)系，與無關(guān)），闡明了色散現(xiàn)象。如果認(rèn)為不是恒量，與有關(guān)，那么仍可由麥?zhǔn)详P(guān)系來推得色散方程。下面電偶極子模型，即，（電極化強(qiáng)度）及外電場之間有聯(lián)系，唯象解釋。設(shè)每一個偶極子電矩，分子或原子中正電荷不動，負(fù)電荷位置表示，從正指向負(fù) 設(shè)所有電偶極子都有等量電矩單位體積內(nèi)有N個電偶極，在外場作用下，指向相同，振動沿同一直線，中只考慮大小。1、首先計算電荷在外場作用下相對另一靜止電荷的振動。作用在q上的三個力（電偶極模型）（1）（外場強(qiáng)迫力）（2）準(zhǔn)彈性力（3）阻尼力 彈性系數(shù)，阻尼系數(shù)，常數(shù)與v無關(guān)。（2）（3）力