光與物質(zhì)的相互作用PPT課件

1、1900年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實驗完全符合的黑體輻射經(jīng)驗公式。在理論上導(dǎo)出這個公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個最小能量的整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量單位稱為“能量子”。普朗克的假設(shè)解決了黑體輻射的理論困難。普朗克還進(jìn)一步提出了能量子與頻率成正比的觀點，并引入了普朗克常數(shù)h。量子理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論和實驗的不可缺少的基本理論。普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得了諾貝爾獎金。 普朗克是德國物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人，被尊稱為 “量子之父” 1918年諾貝爾物理學(xué)獎金的獲得者。他的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論，這是物理學(xué)史上的一次巨大變革。從

2、此結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。 1900年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實驗完全符合的黑體輻射經(jīng)驗公式。在理論上導(dǎo)出這個公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個最小能量的整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量單位稱為“能量子”。第1頁/共63頁10.1 光的波粒二象性光的波粒二象性一、普朗克量子假設(shè) = h 構(gòu)成物體的分子、原子可視為在各自平衡位置附近振動的帶電線性諧振子，這些振子既可以發(fā)射輻射能，也可以吸收輻射能。諧振子發(fā)射和吸收輻射能量是某些分立狀態(tài)，是最小能量單位 h 的整數(shù)倍，即 發(fā)射或吸收電磁輻射只能以量子方式進(jìn)行，每個能量子能量為其中h 是普朗克常量，

3、為諧振子的振動頻率。第2頁/共63頁討論： 一個頻率為 的諧振子的最小能量是h ，它與周圍的輻射場交換能量時，也只能整個地吸收或放出一個能量子 ?！傲孔印钡母拍盍孔樱ɑ何⒂^世界的一個特殊概念，按某種規(guī)律取分立值的物理量。如：電荷量子（化）1,2,n 101.60 -19C ene能量量子（化）, 2 , 1 1063. 6 34nsJhnh第3頁/共63頁 普朗克公式： 普朗克的量子假設(shè)： 能量不連續(xù)的概念與經(jīng)典物理學(xué)是完全不相容的！普朗克公式： 112/52)( kThcTMehc 能量經(jīng)典光量子 突破了經(jīng)典物理學(xué)的能量連續(xù)的觀念，在物理學(xué)史上第一次提出了微觀粒子能量量子化的概念，這對量

4、子物理學(xué)的誕生起了極大的推動作用。 第4頁/共63頁例： 設(shè)有一音叉，其尖端的質(zhì)量為0.050kg，其頻率被調(diào)到480Hz，振幅1.0mm。試求音叉尖端振動的量子數(shù)。 解：由諧振子的能量公式知，諧振子的能量為 2222)2(2121AmAmE代入已知條件：J227. 0)100 . 1 ()4802(050. 021232E根據(jù)普朗克量子假設(shè)： ，音叉尖端的振動量子數(shù)為nhE 29341013. 74801063. 6227. 0hEn討論：宏觀物體振動的量子數(shù)是非常大的，與很小的能量子相比，宏觀物體的能量可以認(rèn)為是連續(xù)分布的。 第5頁/共63頁二、愛因斯坦光量子學(xué)說光電效應(yīng) 當(dāng)光照到某些金屬

5、的表面時，金屬內(nèi)部的自由電子會逸出金屬表面，這種光致電子發(fā)射現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。（1887年德國物理學(xué)家赫茲首先發(fā)現(xiàn)光電發(fā)射現(xiàn)象，1888年又被俄國物理學(xué)家斯托列托夫用實驗證明。） 實驗裝置： 光通過石英窗口照射陰極K，光電子從陰極表面逸出。光電子在電場加速下向陽極A運動，形成光電流。第6頁/共63頁I1I2I3UaUiI1I2I3Ua 0遏止電壓與頻率關(guān)系曲線遏止電壓與頻率關(guān)系曲線試驗規(guī)律：遏止電勢差：與入射光頻率具有線性關(guān)系。截止頻率：對某一種金屬只有當(dāng)入射光頻率大于某一頻率 時，電子才能從金屬表面逸出（紅限）。0和 成線性關(guān)系遏止電壓與頻率關(guān)系曲線遏止電壓與頻率關(guān)系曲線amUme221v光

6、電效應(yīng)瞬時性：遲滯時間不超過遲滯時間不超過 10- -9 秒秒第7頁/共63頁經(jīng)典理論與實驗規(guī)律的矛盾： 無論何種頻率的光，只要其強度足夠大，電子就能獲得足夠的能量，從金屬表面逸出； 電子的動能取決于光的動能，而與頻率無關(guān)； 在光強很小時，即使光的頻率大于截止頻率，也不應(yīng)有電子發(fā)射 。愛因斯坦光量子學(xué)說（1905年）： 光束可以看成由微粒（光子）構(gòu)成的粒子流（光量子），在真空中以 運動，頻率為 的光子能量為 。ch第8頁/共63頁愛因斯坦光電效應(yīng)方程：Wmvh221 式中為逸出功， 為電子從表面上逸出時初動能。 W221mv討論：光頻率光頻率 A/h 時，時，電子吸收一個光子即可克服逸出功電子

7、吸收一個光子即可克服逸出功 A 逸出逸出 光電子最大初動能和光頻率光電子最大初動能和光頻率 成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 單位時間到達(dá)單位垂直面積的光子數(shù)為單位時間到達(dá)單位垂直面積的光子數(shù)為N，則光強，則光強 I = Nh 。 I 越強越強 , 到陰極的光子越多到陰極的光子越多, 則則逸逸出的光電子越多。出的光電子越多。電子吸收一個光子即可逸出，不需要長時間的能量積累電子吸收一個光子即可逸出，不需要長時間的能量積累。 第9頁/共63頁三、光的波粒二象性 光具有波動性和粒子性兩個側(cè)面，是微觀粒子的基本屬性，在某些情況下突出顯示某一個側(cè)面。作為粒子：有 和能量），mvppvm(E20222cmcpE

8、由相對論知對于光 ，則有或 00 mcEp/ mcp 作為波：c ,兩者關(guān)系為：hphE，第10頁/共63頁光子的波動性和粒子性是光子本性在不同條件下表現(xiàn)出來的兩個側(cè)面：波動性突出呈現(xiàn)在其傳播過程中，粒子性突出呈現(xiàn)在其與物質(zhì)的相互作用中。光的波動性和粒子性隨頻率范圍的不同而有不同的表現(xiàn)：在低頻或長波區(qū)，光的波動性比較顯著；而在高頻或短波區(qū)，粒子性卻比較突出。要對波粒二象性進(jìn)行完善描述，必須采用量子力學(xué)方法（波函數(shù)）。普朗克常量把光的波動性和粒子性 聯(lián)系起來了。),(),(pE第11頁/共63頁例：計算波長為600nm的紅光與波長為0.1nm的X光的光子能量。 解：紅光光子能量為：J1031.

9、3106001031063. 6199834111hchX光光子能量為 J1099. 1101 . 01031063. 6159834222hch第12頁/共63頁10.2 光的發(fā)射光的發(fā)射 激光原理激光原理一、發(fā)光的物理機(jī)制 發(fā)射光譜 光源 發(fā)射光波的物體。如太陽、蠟燭等。光源發(fā)出的光是其中大量的分子或原子的運動狀態(tài)發(fā)生變化時所輻射出的電磁波。 發(fā)光的物理機(jī)理 電子沿著一個個分立的軌道繞核旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電子在確定的軌道上運動時，原子具有確定的能量。 1r2r 電子從一個軌道躍遷到另一個軌道，原子或分子就從一個能態(tài)躍變到另一能態(tài)，同時伴隨著能量的變化。電子在不同軌道之間躍變，原子向外釋放或吸收能量。

10、第13頁/共63頁E賴曼系賴曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布拉開系布拉開系n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5n = 6n=1n=3n=2n=原子的不同能態(tài)用一個個分立的能級表示 第14頁/共63頁原子從一個定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，原子從一個定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，會發(fā)射或吸收一個光子，頻率會發(fā)射或吸收一個光子，頻率hEEnk|kEnE輻射頻率公式輻射頻率公式波列長波列長 L = c每一個輻射光子稱作一個波列每個波列持續(xù)時間約10-8s原子或分子的發(fā)光過程是彼此獨立的、隨機(jī)的光源發(fā)出的連續(xù)光波實際上是大量原子或分子發(fā)光的總效果。 相互獨立的波列第15頁/共63頁.非相干（同一原子先后發(fā)

11、出的光）非相干（不同原子發(fā)出的光）注：發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜鐵和其他元素的原子發(fā)射光譜圖（上為鐵譜，下為其他元素光譜） 第16頁/共63頁原子的發(fā)射光譜是線狀光譜 每種原子有其獨特的發(fā)射光譜識別不同原子的標(biāo)志 分子發(fā)射光譜若干光譜帶組成的帶狀光譜 分子光譜分子能級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜分子的能量RVeEEEE能級間隔滿足 RVeEEE分子的轉(zhuǎn)動能級間的躍遷發(fā)出遠(yuǎn)紅外輻射；振動能級間的躍遷發(fā)出中紅外輻射；而電子能級間的躍遷發(fā)出可見光和紫外輻射。第17頁/共63頁二、發(fā)光過程的類型按照激發(fā)方式分類熱輻射 太陽、白熾燈等電致發(fā)光 閃電、霓虹燈以及半導(dǎo)體、PN結(jié)的發(fā)光過程等光致發(fā)光 日光燈、熒光、磷光等化學(xué)發(fā)光

12、燃燒發(fā)光、生物發(fā)光等白天和夜晚分別拍攝的發(fā)光真菌第18頁/共63頁按照輻射方式分類E2E1h自發(fā)輻射自發(fā)輻射所發(fā)出的光沒有相干性 能級的平均壽命（ ）原子在某一能級停留的平均時間 處于高能級的原子中，在單位時間內(nèi)從高能級E2自發(fā)躍遷到低能級E1的原子數(shù)比率A21，稱為原子自發(fā)躍遷的概率，它與高能級E2的平均壽命之間存在如下關(guān)系 211 A第19頁/共63頁受激輻射受激吸收E2E1h12EEh受激輻射E2E1h 這兩個光子再引起其它原子產(chǎn)生受激輻射，就會得到更多的相同特征的光子，這個現(xiàn)象稱為光放大光放大。普通光源激光光源區(qū)別第20頁/共63頁三、激光原理 受激輻射光放大簡稱為激光。粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在

13、溫度為 T 的平衡態(tài)下，原子中的電子處于高、低兩個能級上的數(shù)目之比為kTEkTEEeeNN/)(1212/ 討論正常分布：N1N2。光吸收比光輻射占優(yōu)勢。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：N2N1。光通過物質(zhì)得到光放大。第21頁/共63頁粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須具備的條件： 能量的供應(yīng)過程激勵（光泵浦）工作物質(zhì)內(nèi)必須存在亞穩(wěn)態(tài)能級 亞穩(wěn)態(tài)不如基態(tài)穩(wěn)定，但比激發(fā)態(tài)穩(wěn)定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有亞穩(wěn)態(tài)，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。hhh亞穩(wěn)態(tài)E2基態(tài)E1激發(fā)態(tài)E3三能級系統(tǒng)示意圖hEE12E1與E2之間產(chǎn)生以受激輻射為主的躍遷激勵無輻射躍遷第22頁/共63頁光學(xué)諧振腔使某一方向、某一頻率的輻射不斷得到加強，其它方向、其它頻率

14、的輻射受到抑制的裝置全反射鏡M1部分反射鏡M2激光工作物質(zhì)作用選擇激光的方向選擇激光的頻率激勵能源激勵能源第23頁/共63頁He-Ne激光器的工作原理激光器的基本構(gòu)成及激光的形成具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)、激勵系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔 光束在諧振腔內(nèi)來回震蕩，在工作物質(zhì)中的傳播使光得以放大，并輸出激光。反射鏡反射鏡陽極陰極布儒斯特窗毛細(xì)管工作物質(zhì)：氦氣輔助物質(zhì)：氖氣激勵方式：直流氣體放電第24頁/共63頁He-Ne激光器中Ne氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實現(xiàn) 電子碰撞He21s23s碰撞亞穩(wěn)態(tài)Ne3s2s3p2p1150nm632.8nm3390nm 電子經(jīng)電場加速后，與電子經(jīng)電場加速后，與 He 碰撞。處于激

15、發(fā)態(tài)的碰撞。處于激發(fā)態(tài)的 He 與與 Ne 碰撞，把能量傳遞給碰撞，把能量傳遞給 Ne，使它在亞穩(wěn)態(tài)，使它在亞穩(wěn)態(tài)（3s、2s）和和激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)（3p、2p）之間形成反轉(zhuǎn)分布。之間形成反轉(zhuǎn)分布。第25頁/共63頁四、激光的特性與應(yīng)用 特性方向性強強度高單色性好相干性好應(yīng)用可用于精密加工，醫(yī)學(xué)，核聚變等。激光加工 6KW CO2 激光加工機(jī)在進(jìn)行金屬表面涂敷合金粉末的作業(yè)第26頁/共63頁核聚變實驗的六路真空靶室核聚變實驗的六路真空靶室實驗中采用大功率實驗中采用大功率(1014KW)釹玻璃激光器釹玻璃激光器第27頁/共63頁C.H.TownesA.M.Prokhorov N.G.Basov 湯斯

16、湯斯19541954年在量子電子學(xué)研究中實現(xiàn)了氨分子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，研制了年在量子電子學(xué)研究中實現(xiàn)了氨分子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，研制了微波激射器和激光器；普羅霍洛夫和微波激射器和激光器；普羅霍洛夫和巴索夫巴索夫1958年幾乎同時年幾乎同時在量子電子學(xué)在量子電子學(xué)的基礎(chǔ)研究中，根據(jù)微波激射器和激光器原理研制了振蕩器和放大器。以的基礎(chǔ)研究中，根據(jù)微波激射器和激光器原理研制了振蕩器和放大器。以上工作導(dǎo)致了激光器的發(fā)明。上工作導(dǎo)致了激光器的發(fā)明。The Nobel Prize in Physics 1964第28頁/共63頁10.3 光的吸收 吸收光譜 光波和物質(zhì)作用的兩種效應(yīng)折射和雙折射現(xiàn)象（速度減慢）消光現(xiàn)

17、象散射 (scattering)現(xiàn)象吸收 (absorption)現(xiàn)象(部分光波沿其它方向傳播)(光能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量)（光能減弱） 當(dāng)光波在媒質(zhì)中傳播時，由于光波和物質(zhì)的相互作用，一般呈現(xiàn)兩種效應(yīng) 第29頁/共63頁一、光吸收的類型 一般吸收（ general absorption ） 在給定的波段范圍內(nèi)，若介質(zhì)對光的吸收很少，而且光吸收量與波長無關(guān)。在可見光范圍內(nèi)，一般吸收意味著光通過介質(zhì)后不改變顏色而只改變強度。選擇吸收（selective absorption ） 在給定的波段范圍內(nèi)，媒質(zhì)吸收某種波長的光能比較顯著。在可見光范圍內(nèi)，選擇吸收意味著光通過介質(zhì)后既改變顏色也改變強度。

18、如果不把光局限于可見光范圍以內(nèi)，可以說一切物質(zhì)都具有一般吸收和選擇吸收兩種特性。 選擇吸收性是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因。 第30頁/共63頁二、朗伯定律 比爾定律 I0IlxxdII-dIxIIdd 稱為吸收系數(shù)，“”號表示隨 x 增加 I 減小。將上式積分：xIIlIIdd00lII0lnln朗伯定律第31頁/共63頁lIIe0（朗伯定律的數(shù)學(xué)形式） 引入透光率 T 和吸收度 A ，并定義 ，0IIT IITA0n11n1，上式表示為lIITe0lIIA0n1 實驗表明，在光強變化相當(dāng)大的范圍（約1020倍）內(nèi)，透射光強度滿足朗伯定律的數(shù)學(xué)形式。因此，朗伯定律適用于光強變化相當(dāng)大的場合。第32

19、頁/共63頁比爾定律比爾定律是朗伯定律在溶液情形下的應(yīng)用。稀溶液的吸收系數(shù)與溶液濃度有關(guān)，即C1 朗伯定律可變?yōu)椋篊lII1e0 是一個與濃度無關(guān)的常數(shù)，它表征了吸收物質(zhì)的分子特性，C 為溶液的濃度。 1ClIIA10n1吸收度A與濃度 C 呈線性關(guān)系（比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式）第33頁/共63頁 實際測量中觀察到吸收度與濃度關(guān)系偏離線性的情況，說明比爾定律的成立是有條件的。 比爾定律只在溶質(zhì)分子的吸收本領(lǐng)不受它周圍鄰近分子的影響時才成立。 光的反射、散射、溫度、時間、壓力等都會對比爾定律產(chǎn)生影響 。朗伯定律始終成立，但比爾定律有時不一定成立?？紤] loge1/2.303 ，ClII303. 2l

20、g10第34頁/共63頁令 ， ，上式被簡化為IID0lg303. 21ClDS2S 式中，D 稱為吸光度， 稱為消光系數(shù) 。這種方法稱為分光光度分析或比色分析。MM1S平面鏡凸透鏡樣品池光電管1SM3棱鏡分光光度計光路圖第35頁/共63頁三、吸收光譜 當(dāng)一束復(fù)色光透過一定厚度的介質(zhì)時，利用介質(zhì)對光的吸收作用因波長而異，可產(chǎn)生吸收光譜。產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源所發(fā)的光，通過具有選擇吸收特性的物質(zhì)后，用光譜儀可以觀察到，在連續(xù)的發(fā)射光譜中，呈現(xiàn)出與發(fā)生吸收的波長區(qū)域相對應(yīng)的一些暗線或暗帶，這就是吸收光譜。光源單色儀樣品室檢測儀放大儀計算機(jī)輸出裝置紫外可見光分光光度計原理圖第36頁/共63頁 若用原子化

21、裝置代替樣品室，就可得到某元素的原子吸收光譜。所謂原子化就是使待測樣品中的原子達(dá)到霧化狀態(tài)，并保證霧化原子處于基態(tài)。這樣一旦有外來光照，原子便可吸收外來光，產(chǎn)生吸收光譜。每種元素都有其特征吸收波長和吸收光譜 原子吸收光譜廣泛應(yīng)用于定量分析中 鈉原子吸收光譜對于氣體、液體和固體而言，一般在紅外區(qū)有選擇吸收。吸收譜線寬度增大且組成連續(xù)譜帶，稱為帶狀光譜。紅外光譜分析常用于科學(xué)研究及生產(chǎn)實踐中。第37頁/共63頁四、植物對光的吸收 植物對光的吸收主要靠色素系統(tǒng)來實現(xiàn)，這些色素對300750nm的可見光有不同的吸收率。 植物的光吸收曲線葉綠素、胡蘿卜素的吸收光譜 第38頁/共63頁一、光散射的基本規(guī)律

22、10.4 光的散射 光束在介質(zhì)中傳播時，部分光線偏離原方向分散傳播的現(xiàn)象稱為光的散射。 從分子理論來看，光波射入介質(zhì)后，將激起介質(zhì)中的電子作受迫振動，從而發(fā)散出相干次波。只要分子密度是均勻的，次波相干迭加的結(jié)果，只剩下遵從幾何光學(xué)規(guī)律的沿原方向傳播的光線，其余方向的振動完全抵消；若介質(zhì)是不均勻的，它能夠破壞次波的干涉相消，從而引起光的散射。 第39頁/共63頁光通過介質(zhì)時，散射會使透射光的強度減弱，當(dāng)僅考慮散射時，透射光遵從指數(shù)衰減規(guī)律：lseII0 實際上介質(zhì)對光的吸收和散射同時存在，故透射光的強度為： lseII)(0式中 為吸收系數(shù)，（ + ）為衰減系數(shù)。s式中I0為入射光強， 為散射系

23、數(shù)。s第40頁/共63頁二、光散射的基本類型 據(jù)介質(zhì)不均勻性質(zhì)的起因，散射分為兩類：延德爾散射 光通過懸浮質(zhì)點（或微粒）的散射，如光在膠體、乳濁液以及含有煙、霧、灰塵的大氣中的散射。分子散射 在表面看來十分純凈、均勻的液體和氣體中，也能觀察到較微弱的散射。這種因介質(zhì)分子的密度漲落而引起的散射稱為分子散射。物質(zhì)處于氣、液二相的臨界點時，密度漲落很大，在光線照射下會的出現(xiàn)強烈散射，亦屬分子散射。 第41頁/共63頁三、瑞利散射與喇曼散射 瑞利散射 瑞利首先研究了第二類散射的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)散射光與入射光的頻率相同，因此，這類散射又稱瑞利散射。41I（瑞利散射定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式 ）利用瑞利散射定律可以解釋旭

24、日與夕陽的色彩。地球正午時的太陽傍晚時的太陽散射原理廣泛應(yīng)用于飲料與藥物純度的檢驗 。第42頁/共63頁 喇曼散射 1928年，印度科學(xué)家喇曼在研究溶液對光的散射時，發(fā)現(xiàn)散射光中除了有與入射光頻率 0相同的瑞利光外，還有一部分散射光的頻率與入射光不同，這種散射光的頻率為 0s 這種散射光的波長不同于入射光的波長的散射現(xiàn)象稱喇曼散射，相應(yīng)的光譜稱為喇曼光譜。應(yīng)用： 研究分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分的一種主要方法。激光的出現(xiàn)，使喇曼光譜技術(shù)獲得了新生，從而得以迅速發(fā)展。 喇曼在喇曼散射方面卓有成效的研究，使他榮獲1930年諾貝爾物理學(xué)獎。他是印度，也是亞洲第一位獲此殊榮的科學(xué)家。第43頁/共63頁四、散射現(xiàn)

25、象的量子解釋 在散射過程中，入射光子與介質(zhì)分子發(fā)生彈性碰撞，分子吸收并且立即發(fā)射光子，大多數(shù)分子在這過程中仍回到原來能級，光子能量不變，散射光的頻率與入射光的頻率相同，這就是瑞利散射。 在喇曼散射中，光子與分子之間是非彈性碰撞。有些分子吸收光子的一部分能量，回到較高的振動能級，散射光子減少了能量，增加了波長(減少了頻率)，這就形成喇曼散射的紅伴線。有一些分子原先處于較高的振動能級，給予光子一部分能量后回到較低能級，散射光子增加了能量，減少波長(增加頻率)這就形成喇曼散射的紫伴線。由于光子失去或獲得的能量等于分子振動能級差，所以入射光子與散射光子的頻率差正好等于分子的振動頻率。 第44頁/共63

26、頁一、色散率10.5 光的色散 光在物質(zhì)中傳播時，其速度將比真空中小，而且不同頻率的光在同一物質(zhì)中的傳播速度不同。因此，物質(zhì)的折射率隨光的波長的不同而改變，這一現(xiàn)象稱為色散。色散現(xiàn)象也是光和物質(zhì)相互作用的結(jié)果 。對于給定的介質(zhì)而言，折射率n是波長 的函數(shù)，即 nn( )色散率ddn第45頁/共63頁棱鏡折射率與頂角 和最小偏向角 關(guān)系2sin2sinn 測得不同波長的光線通過棱鏡的最小偏向角，可以按照上式計算出棱鏡對不同波長的光的折射率，從而可繪出棱鏡的色散曲線（即折射率n與波長的關(guān)系曲線）。第46頁/共63頁二、正常色散幾種材料的色散曲線曲線特點：具有以上特點的色散稱為正常色散 。波長 越短

27、，折射率n越大；波長 越短，色散率 越大；波長 很長時，折射率n趨于定值；不同物質(zhì)的色散曲線沒有簡單的相似關(guān)系。第47頁/共63頁科希于1836年給出了正常色散的折射率與波長的函數(shù)關(guān)系：42CBAn 式中 為真空中的波長，A、B、C 為取決于介質(zhì)性質(zhì)的常量，其數(shù)值可由實驗測定。當(dāng)波長變化范圍不大時，上式可簡化為2BAn介質(zhì)的色散率 32ddBn 上式表明dn/d 0（常數(shù)B始終為正），并且色散率的數(shù)值隨波長的增加而減小，與實驗測得的正常色散曲線相符。 第48頁/共63頁三、反常色散 1862年，勒魯用碘蒸氣充滿三棱柱形容器研究光的折射現(xiàn)象，觀察到紫光的折射率比紅光的小，因這一現(xiàn)象與正常色散相反

28、，勒魯稱其為反常色散。反常色散總是發(fā)生在物質(zhì)的選擇吸收帶。（孔脫）氰苷溶液色散的實驗曲線 曲線上從M點到N點為選擇吸收區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，折射率隨著波長的減小而減小，即反常色散 。在吸收區(qū)域外，折射率隨著波長的減小而增大，是正常色散。 第49頁/共63頁石英的色散曲線 可見光區(qū)的折射率滿足科希公式（曲線PQ段），因此，在可見光區(qū)域是正常色散 若向紅外區(qū)域延伸，在吸收帶(圖中R點)附近，明顯偏離正常色散曲線 過了吸收帶重新進(jìn)入透明波段時，曲線又逐漸恢復(fù)為正常色散曲線 總結(jié)物質(zhì)的色散曲線都是由正常色散區(qū)域和反常色散區(qū)域所構(gòu)成的。不論是氣體、液體或固體介質(zhì)，在一定的波長區(qū)域內(nèi)，都會有選擇吸收，在這些區(qū)

29、域中總是表現(xiàn)出反常色散。 第50頁/共63頁一、熱效應(yīng)10.6 激光的生物學(xué)效應(yīng) 激光生物效應(yīng)一般是指激光作用于生物體可能產(chǎn)生的物理、化學(xué)或生物學(xué)的反應(yīng) 。實現(xiàn)的兩種途徑：碰撞吸收 熱效應(yīng)的強弱既取決于激光的強度、照射面積和照射時間，也取決于生物組織的吸光率、比熱、熱導(dǎo)率等物理參數(shù)。第51頁/共63頁二、光化學(xué)效應(yīng) 光化學(xué)效應(yīng)是指在光的作用下產(chǎn)生的生物化學(xué)反應(yīng)。光能可提高某些生物化學(xué)反應(yīng)的速率。 光化學(xué)反應(yīng)的兩個階段：原初光化學(xué)反應(yīng)繼發(fā)光化學(xué)反應(yīng)生成具有高度化學(xué)活性、不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，如自由基，離子極不穩(wěn)定的產(chǎn)物繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，直至形成穩(wěn)定的產(chǎn)物 光合作用、光敏化作用、視覺作用等都是典型的光

30、化學(xué)反應(yīng)。 第52頁/共63頁三、機(jī)械效應(yīng) 當(dāng)生物組織吸收激光能量時，如果能量密度超過某一確定闌值時，就會產(chǎn)生汽化并伴有機(jī)械波，若能量密度低于該閾值，就只產(chǎn)生機(jī)構(gòu)波，這就是所謂的機(jī)械效應(yīng)。 光不僅具有波動性，還具有粒子性，即光子有質(zhì)量有動量，因而光子撞擊(照射)物體時必然會給受照處施以壓力，稱為光壓 。 激光是高強度光源，它對生物體可產(chǎn)生一次壓力和二次壓力，輻射壓強為一次壓力，熱膨脹壓強、聲波和蒸發(fā)壓強、電致伸縮壓強等為二次壓力。 第53頁/共63頁四、電磁場效應(yīng) 激光作用于生物組織引起生物組織變化稱之為激光生物電磁場效應(yīng)。 電磁場作用于生物組織時起作用的只是電場。激光的電場強度與激光的功率密

31、度有關(guān)。 三種類型：喇曼散射 受激喇曼散射 受激布里淵散射 第54頁/共63頁五、刺激效應(yīng) 當(dāng)激光照射生物組織時，如果強度不是很高，就不會對生物組織直接造成不可逆性的損傷，而只是產(chǎn)生某種刺激作用，這與超聲波、針刺、艾炙及熱輻射等因子所產(chǎn)生的效應(yīng)相類似，稱為激光生物刺激效應(yīng)。刺激效應(yīng)是低功率激光作用的結(jié)果，無法用前述的作用來解釋。 一般把產(chǎn)生生物刺激效應(yīng)的激光稱為“弱激光”。當(dāng)用弱激光照射生物機(jī)體時，激光本身只是一種刺激源。生物機(jī)體對這種刺激的應(yīng)答反應(yīng)可能是興奮，也可能是抑制 。第55頁/共63頁總結(jié)：據(jù)機(jī)理劃分：熱效應(yīng)非熱效應(yīng)通過發(fā)熱與生物體發(fā)生作用 通過光壓、電磁、光化學(xué)等方式與生物體發(fā)生作用 據(jù)強度劃分：強光生物學(xué)效應(yīng)弱光生物學(xué)效應(yīng)生物材料一般會發(fā)生汽化、蒸發(fā)、熱凝、熱殺、切斷等變化 生物組織一般不會出現(xiàn)大的損傷，僅可能在遺傳、代謝等方面出現(xiàn)變化 第56頁/共63頁10.7 激光在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物科學(xué)中的應(yīng)用 一、激光檢測技術(shù) 物理基礎(chǔ) 低強度激光照射生命物質(zhì)后，被吸收、反射或產(chǎn)生熒光輻射，這對生命物質(zhì)的作用不是很大。但這種吸收、反射或熒光輻射與生物物