第21章　光的色散

第二十一章光的吸收散射和色散返回主目錄21-1光的色散一色散現(xiàn)象介質(zhì)的折射率隨光的波長而變化的現(xiàn)象。不同頻率的光在同一種介質(zhì)中傳播的速度不同，所以當(dāng)一束白光或多色光入射在兩種透明介質(zhì)分界面上時(shí)，只要入射角不為零，不同波長的光就會(huì)按不同折射角折射而散開，表現(xiàn)出色散現(xiàn)象．◆光的色散：◆色散現(xiàn)象分析：◆介質(zhì)的色散率：表征介質(zhì)的折射率隨波長變化快慢的程度．即

第二十一章光的吸收、散射和色散二正常色散◆描述折射率n隨波長變化關(guān)系的曲線稱為色散曲線?！魩追N介質(zhì)的色散曲線特點(diǎn)：１．它們的折射率n都隨波長的增加而減小，而且波長越長，曲線越平緩。２．不同介質(zhì)的色數(shù)曲線沒有簡單的相似關(guān)系?！暨@就表明介質(zhì)的折射率n及色散率的數(shù)值都隨波長的增加而減小，這樣的色散稱為正常色散?！粽Ｉ⒌慕?jīng)驗(yàn)公式：式中A,B,C是常數(shù)，對(duì)上式求導(dǎo)可得介質(zhì)的色頻率．幾種光學(xué)材料的色散曲線1重火石玻璃２輕火石玻璃３水晶４冕盤玻璃５螢石可見光區(qū)域第二十一章光的吸收、散射和色散吸收帶附近的色散曲線的形狀與正常色散曲線大不相同，該區(qū)域的色散稱之為反常色散。三反常色散◆反常色散的理論公式：◆結(jié)論：（3）在吸收帶兩邊區(qū)域,不管是否符合科希公式,總有,屬于正常色散；而在吸收帶內(nèi)，則有，屬于反常色散?！舴闯Ｉⅲ海?）正常色散和反常色散都是物質(zhì)的一種特性，任何物質(zhì)的色散圖都由正常色散區(qū)域和反常色散區(qū)域構(gòu)成。（2）在透明波段的色散曲線符合科希公式，在吸收帶內(nèi)及邊緣附近不符合科希公式。第二十一章光的吸收、散射和色散B為物質(zhì)常數(shù)，為入射光在真空中的波長且與物質(zhì)的固有頻率有關(guān)．21-2光的吸收◆當(dāng)光通過介質(zhì)時(shí)，出射光強(qiáng)相對(duì)于入射光強(qiáng)被減弱的現(xiàn)象，稱為介質(zhì)對(duì)光的吸收。一光的吸收現(xiàn)象◆介質(zhì)對(duì)光吸收的一般規(guī)律:◆從能量轉(zhuǎn)換這一觀點(diǎn)來分析介質(zhì)對(duì)光的吸收，可認(rèn)為光通過介質(zhì)時(shí)，光波的電矢量使介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的帶電粒子做受迫振動(dòng)，光的一部分能量用來供給受迫振動(dòng)所需的能量。這時(shí)介質(zhì)粒子若和其他原子或分子發(fā)生碰撞，振動(dòng)能量可能轉(zhuǎn)變成平動(dòng)動(dòng)能，使分子熱運(yùn)動(dòng)的能量增加，因而物體發(fā)熱。在此情況下，這部分光能量轉(zhuǎn)化為熱能。式中I

和Io

分別為透射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)，L為介質(zhì)厚度．為吸收系數(shù)．第二十一章光的吸收、散射和色散二光的吸收與波長的關(guān)系如果介質(zhì)對(duì)某波段范圍的光吸收很少，且吸收程度幾乎不隨波長而改變（即吸收系數(shù)與波長無關(guān)），這種吸收稱為介質(zhì)對(duì)光的一般吸收。一般吸收的基本特點(diǎn)是吸收量很少且吸收程度在給定的波段內(nèi)幾乎不變。如果介質(zhì)對(duì)某些波長的光吸收特別強(qiáng)烈，而對(duì)其他波長的光吸收較少，這種吸收則稱為介質(zhì)對(duì)光的選擇吸收。選擇吸收的特點(diǎn)是吸收量很大且隨波長不同急劇變化?！?/p>

任何物質(zhì)對(duì)光的吸收的都存在著一般吸收和選擇吸收?！?/p>

物體呈現(xiàn)的顏色與物體對(duì)光的吸收有著密切的關(guān)系。絕大部分物體呈現(xiàn)的顏色，都是由于對(duì)可見光進(jìn)行選擇吸收的結(jié)果。第二十一章光的吸收、散射和色散◆

一般吸收◆選擇吸收21-3光的色散和吸收的解釋一洛侖茲電子論假設(shè)◆洛侖茲電子理論所提出的電偶極子模型定性方面能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大體相符，物理圖象簡明。按照這一模型，可以計(jì)算出介質(zhì)中光的傳播速度和折射率，也可以求得光對(duì)介質(zhì)的吸收系數(shù)。二色散和吸收的電子論解釋（1）關(guān)于色散的電子論解釋第二十一章光的吸收、散射和色散◆電偶極子模型:在入射光的作用下，組成物質(zhì)的原子或分子形成振動(dòng)的偶極子，這種帶電的振動(dòng)偶極子將以入射光的頻率輻射電磁次波，這些次波疊加起來就形成在介質(zhì)中傳播的光波。

假設(shè)色散介質(zhì)中只有一個(gè)電子，分子間沒有相互作用，當(dāng)電子偏離平衡位置的位移為

時(shí)，其電偶極距，根據(jù)受迫振動(dòng)理論，在

方向的外電場的作用下，

滿足方程P與的比值為

式中。上式可寫成

上式稱為色散塞爾邁爾公式，它比科希公式更符合實(shí)際。當(dāng)時(shí)，用二項(xiàng)式定理把它展開即得到描述色散的科希公式。第二十一章光的吸收、散射和色散在阻尼很小時(shí)，，電子在強(qiáng)迫振動(dòng)下的位移為

式中是振子的固有圓頻率。設(shè)單位體積中有N個(gè)分子，則極化強(qiáng)度（2）光的吸收的電子論解釋在實(shí)際情況中，振子的振動(dòng)就是衰減的阻尼振動(dòng)。在外電場的作用下，受迫振動(dòng)的振幅為則

顯然n是一復(fù)數(shù)，令。則在介質(zhì)中沿x方向傳播的折射光可表示為第二十一章光的吸收、散射和色散21-4光的散射一光的散射現(xiàn)象

當(dāng)光通過光學(xué)性質(zhì)不均勻介質(zhì)（例如包含微小水滴的空氣或霧、包含有懸浮微粒的液體、膠體溶液等）時(shí)，則從各個(gè)方向都可以看見光，這種現(xiàn)象稱為光的散射。

這些雜質(zhì)微粒是產(chǎn)生散射次波的波源。當(dāng)光與這些散射微粒作用時(shí)，它們的振動(dòng)之間就沒有固定的位相關(guān)系，因而向各個(gè)方向發(fā)射的次波產(chǎn)生不相干疊加而不會(huì)抵消，從而形成了散射光。

散射按介質(zhì)不均勻結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，可以分為兩大類，一類由均勻介質(zhì)中懸浮的雜質(zhì)微粒所引起的光的散射，稱為庭德爾散射。另一類由于組成介質(zhì)的分子熱運(yùn)動(dòng)造成密度的局部漲落而引起的散射稱為分子散射。二瑞利散射

線度小于光的波長的微粒對(duì)入射光的散射現(xiàn)象通常稱為瑞利散射。第二十一章光的吸收、散射和色散

規(guī)律：（1）散射光的強(qiáng)度與波長的四次方成反比（2）散射光的強(qiáng)度與方向有關(guān)（3）散射光具有確定的振動(dòng)方向，也就是說，它是偏振光。三喇曼散射

在拍攝透明介質(zhì)的散射光譜照片并作長時(shí)間的曝光，還可以在散射光中找到與入射光頻率不同的譜線，這就是喇曼散射。散射光強(qiáng)度分布