光吸收色散和散射物理光學(xué)實用教案

1、I0II-dIdxxx+dxlX定義：光通過介質(zhì)后出現(xiàn)的出射光強(qiáng)小于入射光強(qiáng)的定義：光通過介質(zhì)后出現(xiàn)的出射光強(qiáng)小于入射光強(qiáng)的現(xiàn)象。現(xiàn)象。 解釋：用經(jīng)典電磁理論中的振子模型解釋：光能解釋：用經(jīng)典電磁理論中的振子模型解釋：光能 振動能振動能 熱能。熱能。21 吸收定律吸收定律1 朗伯定律朗伯定律 設(shè)光通過厚度為設(shè)光通過厚度為dx的介質(zhì)層時，的介質(zhì)層時， 光強(qiáng)由光強(qiáng)由I減少為減少為（IdI），），則有則有 成立成立dxIdIa 2 光的吸收光的吸收(xshu)第1頁/共13頁第一頁，共14頁。2 比爾定律比爾定律實驗表明：在濃度較低的溶液中，吸收系數(shù)實驗表明：在濃度較低的溶液中，吸收系數(shù) a與溶液與

2、溶液濃度濃度C成正比，成正比， a=AC。A為與溶液濃度為與溶液濃度C無關(guān)的常無關(guān)的常數(shù)，表征物質(zhì)的分子特性。數(shù)，表征物質(zhì)的分子特性。代入代入 a與與C的關(guān)系，朗伯定律變形為的關(guān)系，朗伯定律變形為這稱為比爾定律。利用比爾定律，通過測量這稱為比爾定律。利用比爾定律，通過測量I可得溶可得溶液濃度液濃度C。ACleII 0積分可得通過厚度為積分可得通過厚度為l的介質(zhì)后的光強(qiáng)的介質(zhì)后的光強(qiáng)I， laIIdxIdI00laeII 0第2頁/共13頁第二頁，共14頁。22 吸收類型吸收類型一般吸收：一般吸收： a值很小且不隨波長發(fā)生明顯變化，即值很小且不隨波長發(fā)生明顯變化，即 呈現(xiàn)所謂呈現(xiàn)所謂(suwi)

3、“透明透明”狀態(tài)。狀態(tài)。選擇吸收：選擇吸收： a值很大且隨波長發(fā)生急劇變化，即呈值很大且隨波長發(fā)生急劇變化，即呈 現(xiàn)現(xiàn)“不透明不透明”狀態(tài)。狀態(tài)。吸收普遍存在于一切介質(zhì)中，任何介質(zhì)中都可發(fā)生兩吸收普遍存在于一切介質(zhì)中，任何介質(zhì)中都可發(fā)生兩種類型的吸收，關(guān)鍵取決于波長。種類型的吸收，關(guān)鍵取決于波長。23 吸收光譜吸收光譜產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源在通過介質(zhì)后產(chǎn)生吸收，所形成的產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源在通過介質(zhì)后產(chǎn)生吸收，所形成的光譜為吸收光譜，如圖光譜為吸收光譜，如圖65所示。吸收系數(shù)大的位置出所示。吸收系數(shù)大的位置出現(xiàn)譜線消失?，F(xiàn)譜線消失。用途：物質(zhì)用途：物質(zhì)(wzh)的定量分析；氣象、天文研究。的定量分析

4、；氣象、天文研究。第3頁/共13頁第三頁，共14頁。定義：光通過某些介質(zhì)時，在偏離正常定義：光通過某些介質(zhì)時，在偏離正常(zhngchng)傳播傳播方向上有方向上有 光出射的光出射的 現(xiàn)象?，F(xiàn)象。3 光的散射光的散射(snsh)31 散射類型散射類型 1 瑞利散射瑞利散射 發(fā)生于混濁介質(zhì)中。原因是在均勻介質(zhì)中包含許發(fā)生于混濁介質(zhì)中。原因是在均勻介質(zhì)中包含許 多線度比波長多線度比波長(bchng)更小的、折射率不同的其他更小的、折射率不同的其他物質(zhì)的物質(zhì)的 微粒。微粒。 2 分子散射分子散射 發(fā)生于表面看來均勻純凈的介質(zhì)中。原因是介質(zhì)發(fā)生于表面看來均勻純凈的介質(zhì)中。原因是介質(zhì) 中分子密度中分子密

5、度 起伏破壞了介質(zhì)的均勻性而導(dǎo)致。起伏破壞了介質(zhì)的均勻性而導(dǎo)致。第4頁/共13頁第四頁，共14頁。32 散射定律散射定律1 正常傳播方向上的光強(qiáng)正常傳播方向上的光強(qiáng) 因為散射分散了正常傳播方向上的光能量，表現(xiàn)因為散射分散了正常傳播方向上的光能量，表現(xiàn)為正常傳播方向上光強(qiáng)的減弱，故可用朗伯定律為正常傳播方向上光強(qiáng)的減弱，故可用朗伯定律描述：描述： s稱散射系數(shù)。出射光仍為自然光。稱散射系數(shù)。出射光仍為自然光。 lleIeIIsa 00 201cosII 2 散射光光強(qiáng)散射光光強(qiáng) 設(shè)觀察方向與正常傳播方向之間的夾角為設(shè)觀察方向與正常傳播方向之間的夾角為 ，散射，散射光強(qiáng)為光強(qiáng)為第5頁/共13頁第五

6、頁，共14頁。33 瑞利定律瑞利定律實驗表明：散射光中各種波長的能量不是均勻分布實驗表明：散射光中各種波長的能量不是均勻分布的，短波占有明顯優(yōu)勢，即有的，短波占有明顯優(yōu)勢，即有 的關(guān)系成立，的關(guān)系成立，這個關(guān)系稱為瑞利定律。這個關(guān)系稱為瑞利定律。41 I光的性質(zhì)由光的性質(zhì)由 角的變化角的變化(binhu)而變?yōu)槠穸炔煌亩優(yōu)槠穸炔煌钠窆?；偏振光；?dāng)當(dāng) =90時為平面偏振光，其余方向為部分偏振時為平面偏振光，其余方向為部分偏振光。光。第6頁/共13頁第六頁，共14頁。定義：光通過介質(zhì)時，傳播速度隨頻率而變化，因定義：光通過介質(zhì)時，傳播速度隨頻率而變化，因 而不同波長而不同波長(bchn

7、g)的光具有不同的折射率值的光具有不同的折射率值的現(xiàn)的現(xiàn) 象。象。4 光的色散光的色散(ssn)由此可得由此可得 n 與頻率與頻率 、波長波長 無關(guān)。無關(guān)。rrrrrvcncv ,c 00141 色散現(xiàn)象與經(jīng)典電磁理論的矛盾色散現(xiàn)象與經(jīng)典電磁理論的矛盾由麥克斯韋方程組可得由麥克斯韋方程組可得第7頁/共13頁第七頁，共14頁。物質(zhì)的色散特性可用角色散率物質(zhì)的色散特性可用角色散率D描述：描述：對棱鏡對棱鏡 表征表征 關(guān)系的存在，即表征物質(zhì)的色散關(guān)系的存在，即表征物質(zhì)的色散特性。特性。 ddD ddnAsinnAsinD 212222 ddn fn 色散現(xiàn)象的客觀存在說明了電磁理論存在缺陷。只有在深

8、入色散現(xiàn)象的客觀存在說明了電磁理論存在缺陷。只有在深入研究物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，才能解釋折射率隨頻率研究物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，才能解釋折射率隨頻率(pnl)變化的原因。變化的原因。第8頁/共13頁第八頁，共14頁。42 色散曲線和光譜色散曲線和光譜實驗中用正交棱鏡觀察法測量色散曲線，參見圖實驗中用正交棱鏡觀察法測量色散曲線，參見圖612。對棱鏡有最小偏向角對棱鏡有最小偏向角 0可表示譜線的移動距離，即譜線可表示出可表示譜線的移動距離，即譜線可表示出 n 之之間的關(guān)系。間的關(guān)系。實驗中通過測定不同波長的光對應(yīng)的實驗中通過測定不同波長的光對應(yīng)的 0，得出得出 n 關(guān)系，即為色散曲線。關(guān)系，即為色散

9、曲線。 nAn 001 即即第9頁/共13頁第九頁，共14頁。光譜圖光譜圖611：特點：特點：1 光譜線是非均勻光譜線是非均勻(jnyn)排布的。排布的。 2 短波段的角色散率比長波段的大（可比較短波段的角色散率比長波段的大（可比較 a、c）。）。 3 折射率大則角色散率大，光譜就展開的寬折射率大則角色散率大，光譜就展開的寬 （可比較（可比較a、 b）。）。色散曲線色散曲線(qxin)圖圖614：特點：特點：1 隨波長值變大，折射率值減小。隨波長值變大，折射率值減小。 2 短波段色散曲線短波段色散曲線(qxin)斜率較大，角色散斜率較大，角色散率較率較 大。大。 3 波長一定時，介質(zhì)的折射率越

10、大，則色散波長一定時，介質(zhì)的折射率越大，則色散 曲線曲線(qxin)的斜率越大。的斜率越大。第10頁/共13頁第十頁，共14頁。43 色散類型及方程色散類型及方程1 正常色散正常色散 特點：當(dāng)波長特點：當(dāng)波長 變大時，折射率值變大時，折射率值 n 變小，角色散變小，角色散率率D變小。變小。一切無色透明介質(zhì)在可見光區(qū)域均表現(xiàn)為正常色散。一切無色透明介質(zhì)在可見光區(qū)域均表現(xiàn)為正常色散。描述正常色散時描述正常色散時n 與與 關(guān)系的經(jīng)驗公式為科希方程：關(guān)系的經(jīng)驗公式為科希方程：a、b、c為由介質(zhì)特性決定的常數(shù)，由實驗得出。為由介質(zhì)特性決定的常數(shù)，由實驗得出。當(dāng)波長間隔不大時，科希方程可取近似形式：當(dāng)波長

11、間隔不大時，科希方程可取近似形式： 42 cban322 bddnban 則則第11頁/共13頁第十一頁，共14頁。2 反常色散反常色散在某些波長段會出現(xiàn)波長變大，折射率值增大的現(xiàn)在某些波長段會出現(xiàn)波長變大，折射率值增大的現(xiàn)象，這稱為反常色散。象，這稱為反常色散。反常色散同樣是物質(zhì)的普遍性質(zhì)。反常色散與選擇反常色散同樣是物質(zhì)的普遍性質(zhì)。反常色散與選擇吸吸收密切相關(guān)，即發(fā)生于物質(zhì)的選擇吸收波段附近。收密切相關(guān)，即發(fā)生于物質(zhì)的選擇吸收波段附近。描述反常色散下描述反常色散下 n 與與 關(guān)系的經(jīng)驗公式為塞耳邁耳關(guān)系的經(jīng)驗公式為塞耳邁耳方程：方程：由此式得由此式得 當(dāng)當(dāng) 0時，時，n ，這是一個缺陷。，這是一個缺陷。202221 bn由上兩式可得：由上兩式可得： ，與正常色散曲線、與正常色散曲線、光譜的特點相吻合。光譜的特點相吻合。 D,ddn;n, 第12頁/共13頁第十二頁，共14頁。謝謝您的觀看(gunkn)！第13頁/共13頁第十三頁，共14頁。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)I0。定義(dngy)：光通過介質(zhì)后出現(xiàn)的出射光強(qiáng)小于入射光強(qiáng)的