物理光學(xué)光的吸收色散和散射學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1物理光學(xué)光的吸收色散物理光學(xué)光的吸收色散(ssn)和散射和散射第一頁，共53頁。稀溶液稀溶液(rngy)中中溶液的吸收系數(shù)與濃度有關(guān)溶液的吸收系數(shù)與濃度有關(guān), ,比爾在比爾在18521852年指出年指出(zh (zh ch),ch),溶液的吸收系數(shù)與其濃度溶液的吸收系數(shù)與其濃度 c c 成正比成正比, ,= C 是與濃度無關(guān)的常數(shù)在溶液在溶液(rngy)(rngy)中的光強(qiáng)衰中的光強(qiáng)衰減規(guī)律為減規(guī)律為0expIICz該式即為該式即為比爾定律比爾定律。各種物質(zhì)的吸收系數(shù)的差別是很大。對可見光，對可見光，1610cm1210cm金屬金屬玻璃玻璃空氣空氣1510cm第2頁/共53頁第二頁，共

2、53頁。大多數(shù)物質(zhì)的吸收(xshu)具有波長選擇性，對于不同波長的光，物質(zhì)的吸收(xshu)吸收(xshu)不同。吸收(xshu)選擇性可以用吸收(xshu)系數(shù)和波長的關(guān)系曲線表示 2.吸收吸收(xshu)的波長選擇性的波長選擇性對于液體和固體，吸收帶都比較寬，而對于氣體(qt)則比較窄，通常只有103nm量級。第3頁/共53頁第三頁，共53頁。當(dāng)白光射到紅玻璃上時，只有紅光能夠透過當(dāng)白光射到紅玻璃上時，只有紅光能夠透過(tu u)(tu u)，我，我們看到它呈紅色。如果紅玻璃用綠光照射，玻璃看起來將們看到它呈紅色。如果紅玻璃用綠光照射，玻璃看起來將是黑色。是黑色。例如，在可見光范圍例如，在

3、可見光范圍(fnwi)(fnwi)內(nèi)，一般的光學(xué)玻璃吸內(nèi)，一般的光學(xué)玻璃吸收都較小，且不隨波長變化，屬一般性吸收，而有色收都較小，且不隨波長變化，屬一般性吸收，而有色玻璃則具有選擇性吸收。玻璃則具有選擇性吸收。 2.吸收吸收(xshu)的波長選擇性的波長選擇性第4頁/共53頁第四頁，共53頁。普通光學(xué)材料在可見光區(qū)都是相當(dāng)透明的，它們對各種波普通光學(xué)材料在可見光區(qū)都是相當(dāng)透明的，它們對各種波長的可見光都吸收長的可見光都吸收(xshu)(xshu)很少。但是在紫外和紅外光區(qū)很少。但是在紫外和紅外光區(qū), ,它們則表現(xiàn)出不同的選擇性吸收它們則表現(xiàn)出不同的選擇性吸收(xshu)(xshu)。在制造光學(xué)

4、儀器時在制造光學(xué)儀器時, , 必須必須(bx)(bx)考慮光學(xué)材料的吸收考慮光學(xué)材料的吸收特性。例如，紫外光譜儀中的棱鏡、透鏡需用石英制特性。例如，紫外光譜儀中的棱鏡、透鏡需用石英制作作, ,而紅外光譜儀中的棱鏡、透鏡則需用螢石等晶體制而紅外光譜儀中的棱鏡、透鏡則需用螢石等晶體制作。作。第5頁/共53頁第五頁，共53頁。幾種幾種(j zhn)光學(xué)材料的透光波段光學(xué)材料的透光波段光學(xué)材料光學(xué)材料波長范圍波長范圍 /nm光學(xué)材料光學(xué)材料波長范圍波長范圍/nm冕牌玻璃冕牌玻璃3502000螢石螢石(GaF2)1259500火石玻璃火石玻璃3802500巖鹽巖鹽(NaCl)17514500石英玻璃石英

5、玻璃1804000氯化鉀氯化鉀(KCl)18023000第6頁/共53頁第六頁，共53頁。應(yīng)當(dāng)指出，盡管應(yīng)當(dāng)指出，盡管(jn gun)朗伯定律總是成立，但比爾定朗伯定律總是成立，但比爾定律的成立卻是有條件的：只有在物質(zhì)分子的吸收本領(lǐng)不律的成立卻是有條件的：只有在物質(zhì)分子的吸收本領(lǐng)不受它周圍鄰近分子的影響時，比爾定律才正確。受它周圍鄰近分子的影響時，比爾定律才正確。OHHOHHOHH當(dāng)濃度很大，分子間的相互作用不可忽略當(dāng)濃度很大，分子間的相互作用不可忽略(hl)時時, 比爾定律不成立。比爾定律不成立。 第7頁/共53頁第七頁，共53頁。吸收光譜吸收光譜(x shu un p) (x shu un

6、 p) (Absorption spectrum)(Absorption spectrum)介質(zhì)的吸收系數(shù)及隨光波長的變化關(guān)系曲線稱為介質(zhì)的吸收系數(shù)及隨光波長的變化關(guān)系曲線稱為(chn wi)該介質(zhì)的吸收光譜。該介質(zhì)的吸收光譜。光源光源吸收物吸收物質(zhì)質(zhì)分光儀分光儀使一束連續(xù)光譜的光通過有選擇性吸收的介質(zhì)，再通過使一束連續(xù)光譜的光通過有選擇性吸收的介質(zhì)，再通過分光儀，即可測出在某些分光儀，即可測出在某些(mu xi)波段上或某些波段上或某些(mu xi)波長上的光被吸收，形成吸收光譜。波長上的光被吸收，形成吸收光譜。第8頁/共53頁第八頁，共53頁。氣體吸收光譜的特點(diǎn)氣體吸收光譜的特點(diǎn)(tdin

7、)是：吸收光譜是清晰、狹是：吸收光譜是清晰、狹窄的吸收線窄的吸收線, 吸收線的位置正好是該氣體發(fā)射光譜線吸收線的位置正好是該氣體發(fā)射光譜線的位置。的位置。598.59588.99330.29330.23285.30285.28/nm吸收光譜吸收光譜(x shu un p) (Absorption (x shu un p) (Absorption spectrum)spectrum)對于對于(duy)單原子氣體單原子氣體, 這種狹窄吸收線的特點(diǎn)更為明顯這種狹窄吸收線的特點(diǎn)更為明顯. 例如氦、氖等惰性氣體及鈉等堿金屬蒸氣的吸收光譜。例如氦、氖等惰性氣體及鈉等堿金屬蒸氣的吸收光譜。第9頁/共53頁第

8、九頁，共53頁。氣體吸收的另一個主要特點(diǎn)是吸收和氣體的壓力、溫氣體吸收的另一個主要特點(diǎn)是吸收和氣體的壓力、溫度、密度有關(guān)，一般度、密度有關(guān)，一般(ybn)(ybn)是氣體密度愈大，它對光是氣體密度愈大，它對光的吸收愈嚴(yán)重。的吸收愈嚴(yán)重。由于這種吸收帶特征決定于組成氣體的分子，它反映了分由于這種吸收帶特征決定于組成氣體的分子，它反映了分子的特性子的特性(txng)(txng)，所以可由吸收光譜研究氣體分子的結(jié)，所以可由吸收光譜研究氣體分子的結(jié)構(gòu)。構(gòu)。吸收光譜吸收光譜(x shu un p) (x shu un p) (Absorption spectrum)(Absorption spectru

9、m)第10頁/共53頁第十頁，共53頁。對于固體和液體，它們對光吸收的特點(diǎn)主要是具有很對于固體和液體，它們對光吸收的特點(diǎn)主要是具有很寬的吸收帶。固體材料的吸收系數(shù)主要是隨入射光波寬的吸收帶。固體材料的吸收系數(shù)主要是隨入射光波長長(bchng)(bchng)變化，其它因素的影響較小。變化，其它因素的影響較小。吸收光譜吸收光譜(x shu un p) (Absorption (x shu un p) (Absorption spectrum)spectrum)激光激光(jgung)(jgung)工作物質(zhì)工作物質(zhì)YAGYAG的吸收光譜的吸收光譜/nm1.00 0.660.50 0.40 0.330.

10、28 0.25第11頁/共53頁第十一頁，共53頁。對一種材料吸收光譜的測量，是了解該材料特性對一種材料吸收光譜的測量，是了解該材料特性(txng)(txng)的重要手段。例如的重要手段。例如, , 地球大氣對可見光、紫外地球大氣對可見光、紫外光是透明的光是透明的, ,但對紅外光的某些波段有吸收。但對紅外光的某些波段有吸收。透明的波段稱為透明的波段稱為“大氣窗口大氣窗口”, ”, 充分地研究充分地研究(ynji)(ynji)大大氣的光學(xué)性質(zhì)與氣的光學(xué)性質(zhì)與“窗口窗口”的關(guān)系的關(guān)系, ,有助于紅外導(dǎo)航、跟蹤有助于紅外導(dǎo)航、跟蹤等工作的進(jìn)行。等工作的進(jìn)行。吸收光譜吸收光譜(x shu un p)

11、(x shu un p) (Absorption spectrum)(Absorption spectrum)第12頁/共53頁第十二頁，共53頁。 0204060801000.720.94 1.13 1.381.90 2.7 4.3 6.0 15.0 /m透過率透過率/ % 如圖所示，波段如圖所示，波段(bdun)(bdun)從從 1 1m m 到到 15 15m m 有七個有七個“窗口窗口”。吸收光譜吸收光譜(x shu un p) (Absorption (x shu un p) (Absorption spectrum)spectrum)第13頁/共53頁第十三頁，共53頁。吸收光譜吸

12、收光譜(x shu un p) (Absorption (x shu un p) (Absorption spectrum)spectrum)地球周圍地球周圍(zhuwi)(zhuwi)是厚達(dá)約是厚達(dá)約 1000 1000 公里的大氣層。大公里的大氣層。大氣層由氮、氧、二氧化碳、臭氧及其它稀有氣體和水氣氣層由氮、氧、二氧化碳、臭氧及其它稀有氣體和水氣、塵埃組成。、塵埃組成。第14頁/共53頁第十四頁，共53頁。較強(qiáng)的水汽吸收較強(qiáng)的水汽吸收(xshu)(xshu)帶位于帶位于: 0.71 0.735: 0.71 0.735m, m, 0.81 0.840.81 0.84m, 0.89 0.99m

13、, 0.89 0.99m, 1.07 m, 1.07 1.201.20m, 1.3 1.5m, 1.3 1.5m, 1.7 2.0m, 1.7 2.0m, 2.4 3 m, 2.4 3 .3.3m, 4.8 8.0m, 4.8 8.0m m。吸收光譜吸收光譜(x shu un p) (Absorption (x shu un p) (Absorption spectrum)spectrum)二氧化碳吸收帶位于二氧化碳吸收帶位于: 13.5 17: 13.5 17m m。 臭氧臭氧(chuyng)(chuyng)吸收帶位于吸收帶位于: 9.5: 9.5m m 附近。附近。第15頁/共53頁第十五

14、頁，共53頁。由于太陽四周大氣中的不同元素由于太陽四周大氣中的不同元素(yun s)(yun s)吸收不同波長吸收不同波長的輻射的輻射, ,因而在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)出一條條黑的吸收因而在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)出一條條黑的吸收線線, ,如圖所示。如圖所示。ABCDEFGH400500600700夫朗和費(fèi)首先發(fā)現(xiàn)夫朗和費(fèi)首先發(fā)現(xiàn), ,并以字母并以字母(zm)(zm)標(biāo)志了主要的吸收標(biāo)志了主要的吸收線。線。吸收光譜吸收光譜(x shu un p) (x shu un p) (Absorption spectrum)(Absorption spectrum)第16頁/共53頁第十六頁，共53頁。符號符

15、號波長波長/nm吸收元素吸收元素符號符號波長波長/nm 吸收元素吸收元素ABCD1D2D3E3759.4762.1636.8688.4656.282589.592588.995587.552526.954OOHNaNaHeFeE1FGGHK518.362486.133430.791430.774466.273396.849393.368MgHFeCaCaCaCa吸收光譜吸收光譜(x shu un p) (Absorption (x shu un p) (Absorption spectrum)spectrum)它們的波長及太陽大氣中存在的相應(yīng)它們的波長及太陽大氣中存在的相應(yīng)(xingyng)(

16、xingyng)吸收元素的關(guān)系如下：吸收元素的關(guān)系如下：第17頁/共53頁第十七頁，共53頁。 光的色散效應(yīng)是一種光在介質(zhì)中傳播時，其折射率隨頻率光的色散效應(yīng)是一種光在介質(zhì)中傳播時，其折射率隨頻率(pnl)(pnl)（或波長）而變化的現(xiàn)象。（或波長）而變化的現(xiàn)象。第18頁/共53頁第十八頁，共53頁。正常正常(zhngchng)色散色散曲線曲線正常色散正常色散: :在物質(zhì)透明區(qū)內(nèi)，它隨著光波長的增在物質(zhì)透明區(qū)內(nèi)，它隨著光波長的增大折射率減小且色散曲線是單調(diào)下降的。大折射率減小且色散曲線是單調(diào)下降的。 此現(xiàn)此現(xiàn)象象(xinxing)(xinxing)由柯西由柯西(Cauchy)(Cauchy)色

17、散公式來描述色散公式來描述。 42cbn第19頁/共53頁第十九頁，共53頁。反常色散：發(fā)生在物質(zhì)吸收區(qū)內(nèi)，它隨光波長增加反常色散：發(fā)生在物質(zhì)吸收區(qū)內(nèi)，它隨光波長增加(zngji)(zngji)而折射而折射率增加率增加(zngji),(zngji),經(jīng)驗(yàn)公式為塞耳邁耳方程經(jīng)驗(yàn)公式為塞耳邁耳方程: :222201bn 第20頁/共53頁第二十頁，共53頁。三、光的散射(snsh) (Scattering of light)光束通過不均勻介質(zhì)所產(chǎn)生的偏離原來光束通過不均勻介質(zhì)所產(chǎn)生的偏離原來(yunli)傳傳播方向播方向, 向四周散射的現(xiàn)象向四周散射的現(xiàn)象第21頁/共53頁第二十一頁，共53頁。根

18、據(jù)散射光的波矢根據(jù)散射光的波矢K K 和波長和波長(bchng)(bchng)的變化與否，將散的變化與否，將散射分為兩大類：射分為兩大類：光的散射光的散射(snsh)現(xiàn)象現(xiàn)象 (Scattering phenomena of light)一類一類(y li)(y li)散射是散射光波矢散射是散射光波矢 K K 變化，但波長變化，但波長不變化不變化( (瑞利散射，米氏散射和分子散射瑞利散射，米氏散射和分子散射) )；另一類是散射另一類是散射光波矢光波矢 K 和波長均變化和波長均變化( (喇曼散射，布里喇曼散射，布里淵散射淵散射等等) )。第22頁/共53頁第二十二頁，共53頁。亭達(dá)爾從實(shí)驗(yàn)亭達(dá)爾

19、從實(shí)驗(yàn)(shyn)(shyn)上總結(jié)出了一些規(guī)律，因上總結(jié)出了一些規(guī)律，因此，這一類現(xiàn)象叫亭達(dá)爾效應(yīng)。這些規(guī)律其后為此，這一類現(xiàn)象叫亭達(dá)爾效應(yīng)。這些規(guī)律其后為瑞利在理論上說明，所以又叫瑞利散射。瑞利在理論上說明，所以又叫瑞利散射。1 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)亭達(dá)爾等人最早對渾濁介質(zhì)亭達(dá)爾等人最早對渾濁介質(zhì)(jizh)(jizh)的散射進(jìn)行的散射進(jìn)行了大量的了大量的實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究, ,尤其是微粒線度比光波長小尤其是微粒線度比光波長小, ,即不大于即不大于(1/5(1/51/l0)1/l0) 的渾濁介質(zhì)的渾濁介質(zhì)(jizh)(jizh)。第23頁/共53頁第二

20、十三頁，共53頁。瑞利散射的主要瑞利散射的主要(zhyo)特點(diǎn)：特點(diǎn)：散射光強(qiáng)度散射光強(qiáng)度(qingd)與入射光波長的四次方成反比，即與入射光波長的四次方成反比，即41( )II() 為相應(yīng)于某一觀察方向(fngxing)(與入射光方向(fngxing)成角)的散射光強(qiáng)度。瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)該式說明，該式說明，光波長愈短，其散射光強(qiáng)度愈大光波長愈短，其散射光強(qiáng)度愈大，由此可以，由此可以說明許多自然現(xiàn)象。說明許多自然現(xiàn)象。第24頁/共53頁第二十四頁，共53頁。適用于散射介質(zhì)線度比光波波長小的情況適用于散射介質(zhì)線度比光波波長小的情況(qngkung)，如

21、果散射體比波長大很多的塊狀散射，如果散射體比波長大很多的塊狀散射體，則不適用體，則不適用(如大氣中的水滴如大氣中的水滴)第25頁/共53頁第二十五頁，共53頁。41( ) I瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色呢天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色呢? ?由瑞利散射定律由瑞利散射定律(dngl)(dngl)可可以看出在由大氣散射的太陽光中，短波長光占優(yōu)勢以看出在由大氣散射的太陽光中，短波長光占優(yōu)勢。紅光波長紅光波長( ( 720nm)720nm)為紫光波長為紫光波長( (400nm ) 400nm ) 的的1.8 1.8 倍倍, ,因此因此(ync)(ync)紫光散射強(qiáng)

22、度約為紅光的紫光散射強(qiáng)度約為紅光的(1.8)410 (1.8)410 倍。倍。第26頁/共53頁第二十六頁，共53頁。太陽散射光在大氣層內(nèi)層太陽散射光在大氣層內(nèi)層, ,藍(lán)色的成分藍(lán)色的成分(chng fn)(chng fn)比紅色多比紅色多, ,使天空呈蔚藍(lán)色。使天空呈蔚藍(lán)色。瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)第27頁/共53頁第二十七頁，共53頁。為何正午的太陽為何正午的太陽(tiyng)(tiyng)基本上呈白色基本上呈白色, ,而旭日和夕陽卻而旭日和夕陽卻呈紅色呈紅色? ? 正午的太陽正午的太陽地球地球大氣層大氣層散射散射瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh s

23、cattering)正午正午(zhngw)(zhngw)太陽直射太陽直射, ,穿過大氣層厚度最小穿過大氣層厚度最小, , 陽光中被散陽光中被散射掉的短波成分不太多射掉的短波成分不太多, , 因此基本上呈白色或略帶黃橙色。因此基本上呈白色或略帶黃橙色。第28頁/共53頁第二十八頁，共53頁。早晚的陽光早晚的陽光(ynggung)(ynggung)斜射斜射, ,穿過大氣層的厚度比穿過大氣層的厚度比正午時厚得多正午時厚得多, ,大氣散射掉的短波成分大氣散射掉的短波成分, ,透過長波成透過長波成分，所以旭日和夕陽呈紅色。分，所以旭日和夕陽呈紅色。瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scatterin

24、g)第29頁/共53頁第二十九頁，共53頁。紅光透過散射物的穿透力比藍(lán)光強(qiáng)，所以在拍攝紅光透過散射物的穿透力比藍(lán)光強(qiáng)，所以在拍攝(pish)薄霧景色時，可在照相機(jī)物鏡前加上紅色濾薄霧景色時，可在照相機(jī)物鏡前加上紅色濾光片以獲得更清晰的照片。光片以獲得更清晰的照片。瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)第30頁/共53頁第三十頁，共53頁。紅外線穿透力比可見光強(qiáng)，常被用于遠(yuǎn)距離照相紅外線穿透力比可見光強(qiáng)，常被用于遠(yuǎn)距離照相(zho xing)或遙感技術(shù)?；蜻b感技術(shù)。瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)第31頁/共53頁第三十一頁，共53頁。散射光強(qiáng)度

25、散射光強(qiáng)度(qingd)(qingd)隨觀察方向變化。自然光入射時隨觀察方向變化。自然光入射時，散射光強(qiáng)，散射光強(qiáng) I( I( ) ) 與與 (1+cos2 (1+cos2) ) 成正比。成正比。 入射光方向入射光方向觀察方向觀察方向瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 22( )=I1+cos I第32頁/共53頁第三十二頁，共53頁。散射光是偏振光（完全散射光是偏振光（完全(wnqun)偏振光或部分偏振光偏振光或部分偏振光），該偏振光的偏振度與觀察方向有關(guān)。），該偏振光的偏振度與觀察方向有關(guān)。瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)瑞利散射光的光

26、強(qiáng)度角分布和偏振瑞利散射光的光強(qiáng)度角分布和偏振(pin zhn)特性特性起因于散射光是橫電磁波。起因于散射光是橫電磁波。自然光入射時，在入射光垂直自然光入射時，在入射光垂直(chuzh)(chuzh)方向上，散射光是方向上，散射光是完全偏振光；在入射光方向上，散射光認(rèn)為自然光；在其完全偏振光；在入射光方向上，散射光認(rèn)為自然光；在其他方向上，散射光為部分偏振光。他方向上，散射光為部分偏振光。第33頁/共53頁第三十三頁，共53頁。自然光沿自然光沿 x x 方向方向(fngxing)(fngxing)入射到介質(zhì)的帶電微粒入射到介質(zhì)的帶電微粒 e e 上上，使其作受迫振動。，使其作受迫振動。xzyP

27、e瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)第34頁/共53頁第三十四頁，共53頁。圖中的入射光可分解為沿圖中的入射光可分解為沿 y y 方向和方向和 z z 方向的兩個方向的兩個(lin )(lin )光振動，其振幅相等，光振動，其振幅相等，AyAyAzAzA0A0。xzyPe 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)第35頁/共53頁第三十五頁，共53頁。假設(shè)假設(shè)(jish)(jish)考察位于考察位于 xey xey 面內(nèi)的面內(nèi)的 P P 點(diǎn)，散射光方向點(diǎn)，散射光方向 eP eP與入射光方向成與入射光方向成 角，則其兩個光振動分量的振幅分別為角，則其

28、兩個光振動分量的振幅分別為 A Az zAzAzA0 A0 和和 A Ay yAycosAycosA0cosA0cos。xzyPexyPAyAy瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)第36頁/共53頁第三十六頁，共53頁。散射光強(qiáng)度散射光強(qiáng)度(qingd) I(qingd) I() )為為2202i( )(1 cos) (1 cos) zyIIIAI瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 入射光方向入射光方向觀察方向觀察方向第37頁/共53頁第三十七頁，共53頁。由于散射光兩個振動分量的大小與散射方向有關(guān)由于散射光兩個振動分量的大小與散射方向有關(guān)(y

29、ugun),(yugun),所以散射光的偏振態(tài)隨散射方向不同而異。所以散射光的偏振態(tài)隨散射方向不同而異。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)2202i( )(1 cos) (1 cos)zyIIIAI第38頁/共53頁第三十八頁，共53頁。沿著入射光方向沿著入射光方向(fngxing)(fngxing)或逆著入射光方向或逆著入射光方向(fngxing)(fngxing)，散射光為自然光；在垂直入射光方向，散射光為自然光；在垂直入射光方向(fngxing)(fngxing)的的 y y 軸軸和和 z z 軸上，散射光為線偏振光；其余方向軸上，散射光為線偏振光；其余方向(

30、fngxing)(fngxing)上的上的散射光，均為部分偏振光。散射光，均為部分偏振光。xzyPe 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)第39頁/共53頁第三十九頁，共53頁。2米氏散射米氏散射(snsh) (Mie scattering)當(dāng)散射粒子的尺寸接近或大于波長時當(dāng)散射粒子的尺寸接近或大于波長時, ,其散射規(guī)律其散射規(guī)律(gul)(gul)與瑞利散射不同。與瑞利散射不同。米氏提出了懸浮微粒線度可與入射光波長相比擬時的散米氏提出了懸浮微粒線度可與入射光波長相比擬時的散射射(snsh)(snsh)理論，稱為米氏散射理論，稱為米氏散射(snsh)(snsh)。第40

31、頁/共53頁第四十頁，共53頁。米氏散射的主要米氏散射的主要(zhyo)特點(diǎn)是：特點(diǎn)是：散射光強(qiáng)與偏振散射光強(qiáng)與偏振(pin zhn)特性隨散射粒子的尺寸特性隨散射粒子的尺寸變化。變化。散射光強(qiáng)隨波長散射光強(qiáng)隨波長(bchng)(bchng)的變化規(guī)律是與波長的變化規(guī)律是與波長(bchng)(bchng) 的較低冪次成反比，即的較低冪次成反比，即1( ) (33)nIn1，2，3。N 的具體取值取決于微粒尺寸。的具體取值取決于微粒尺寸。第41頁/共53頁第四十一頁，共53頁。散射光的偏振度隨散射光的偏振度隨 r / r / 的增加而減小的增加而減小, ,這里這里 r r 是是 散射粒子散射粒子

32、(lz)(lz)的線度，的線度， 是入射光波長。是入射光波長。隨著隨著(su zhe)(su zhe)懸浮微粒線度的增大，沿入射光方向懸浮微粒線度的增大，沿入射光方向的散射的散射 光強(qiáng)將大于逆入射光方向的散射光強(qiáng)。光強(qiáng)將大于逆入射光方向的散射光強(qiáng)。米氏散射米氏散射(snsh) (Mie scattering)(snsh) (Mie scattering)第42頁/共53頁第四十二頁，共53頁。當(dāng)微粒當(dāng)微粒(wil)(wil)線度約為線度約為1/41/4波長時波長時, ,散射光強(qiáng)角分布如散射光強(qiáng)角分布如圖所示圖所示, ,此時此時 I( I() ) 在在 = 0 = 0 和和 = = 處的差別尚處

33、的差別尚不很明顯。不很明顯。z當(dāng)微粒線度繼續(xù)增加時當(dāng)微粒線度繼續(xù)增加時, ,在在 0 0 方向方向(fngxing)(fngxing)的散射的散射光強(qiáng)明顯占優(yōu)勢，并產(chǎn)生一系列次極大值。光強(qiáng)明顯占優(yōu)勢，并產(chǎn)生一系列次極大值。z米氏散射米氏散射(snsh) (Mie scattering)(snsh) (Mie scattering)第43頁/共53頁第四十三頁，共53頁。小水滴在可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生的散射小水滴在可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生的散射(snsh)屬于米氏散屬于米氏散射射(snsh), 其散射其散射(snsh)光強(qiáng)與光波長關(guān)系不大光強(qiáng)與光波長關(guān)系不大, 所以云霧呈現(xiàn)白色。所以云霧呈現(xiàn)白色。米氏散射米氏

34、散射(snsh) (Mie scattering)(snsh) (Mie scattering)第44頁/共53頁第四十四頁，共53頁。分子分子(fnz)(fnz)散射散射 (Molecular scattering) (Molecular scattering)光在渾濁光在渾濁(hnzhu)(hnzhu)介質(zhì)中產(chǎn)生瑞利散射和米氏散射介質(zhì)中產(chǎn)生瑞利散射和米氏散射之外，純凈介質(zhì)中也產(chǎn)生散射。之外，純凈介質(zhì)中也產(chǎn)生散射。這就是在純凈介質(zhì)中，因分子熱運(yùn)動這就是在純凈介質(zhì)中，因分子熱運(yùn)動(yndng)(yndng)引起密引起密度起伏引起介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的非均勻所產(chǎn)生光的散射度起伏引起介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的非均勻所

35、產(chǎn)生光的散射, , 稱為分子散射。稱為分子散射。第45頁/共53頁第四十五頁，共53頁。在臨界點(diǎn)時，氣體密度在臨界點(diǎn)時，氣體密度(md)起伏很大，可以觀察起伏很大，可以觀察到明顯的分子散射，這種現(xiàn)象稱為臨界乳光。到明顯的分子散射，這種現(xiàn)象稱為臨界乳光。由于分子熱運(yùn)動由于分子熱運(yùn)動(yndng)產(chǎn)生的密度起伏所引起折射率產(chǎn)生的密度起伏所引起折射率不均勻區(qū)域的線度比可見光波長小很多，所以分子散射中不均勻區(qū)域的線度比可見光波長小很多，所以分子散射中，散射光強(qiáng)與散射角的關(guān)系與瑞利散射相同。，散射光強(qiáng)與散射角的關(guān)系與瑞利散射相同。3 分子分子(fnz)散射散射 (Molecular scattering)第46頁/共53頁第四十六頁，共53頁。22i2402(1)( )(1+cos) nIIr Nn 為氣體折射率,N0 為單位體積氣體中的分子(fnz)數(shù)目,r 為散射點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離，Ii 為入射光強(qiáng)度。理想氣體理想氣體(l xin q t)對自然光的分子散射光強(qiáng)對自然光的分子散射光強(qiáng)為為分子分子(fnz)(fnz)散射散射 (Molecular scattering) (Molecular scattering)第47頁/共53頁第四十七頁，共53頁。4.4.拉曼散射拉曼散射(snsh) (Raman scattering)(snsh)