第三章-光的偏振和光與物質(zhì)的相互作用

1、妻子："我嫁給魔鬼也比嫁給你強(qiáng)。"丈夫："這不可能，因?yàn)榻H禁止結(jié)婚。" 第三章 光的偏振和光與物質(zhì)的相互作用光的電磁理論光是一種電磁波， 是電磁場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的周期性變化在空間的傳播，或者說(shuō)，E矢量和H矢量的振動(dòng)在空間的傳播。一般而言，電磁波是橫波，E矢量和H矢量都與傳播方向垂直。實(shí)驗(yàn)：干涉和衍射 光的波動(dòng)性光的偏振 光的橫波性實(shí)驗(yàn)表明，產(chǎn)生感光作用和生理作用的是光波中的橫向振動(dòng)著的電矢量E:E矢量：光矢量E振動(dòng)：光振動(dòng)本章研究：光的偏振和光與物質(zhì)的相互作用過(guò)程。§3 - 1 自然光和偏振光一 光的偏振態(tài)縱波：通過(guò)波的傳播方向所作

2、的平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況都是相同的，波的振動(dòng)對(duì)傳播方向具有對(duì)稱性。橫波：把通過(guò)波的傳播方向并包含振動(dòng)矢量在內(nèi)的平面稱為振動(dòng)面，波的振動(dòng)方向?qū)鞑シ较虿痪哂袑?duì)稱性。偏振：振動(dòng)方向?qū)鞑シ较虻牟粚?duì)稱性。這是橫波區(qū)別于縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)志。平面偏振光：光矢量的振動(dòng)只限在包含傳播方向的某一個(gè)確定的平面內(nèi)，則這種偏振態(tài)稱為平面偏振（線偏振），該平面稱為偏振面。（圖3 - 1 ( c )）橢圓（圓）偏振光：當(dāng)兩振動(dòng)面互相垂直并有固定位相關(guān)系的線偏振光疊加之后的光矢量，以圓頻率作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，矢量端點(diǎn)描出一橢圓（圖3 - 1 ( d )）。右旋橢圓偏振光：光矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（迎著光線看）左旋橢圓偏振光：光矢量反時(shí)針旋

3、轉(zhuǎn)（迎著光線看）自然光：無(wú)限多個(gè)振幅相等、振動(dòng)方向任意、彼此之間沒有固定相位關(guān)系的光振動(dòng)的組合。普通光源的發(fā)光來(lái)自大量原子的隨機(jī)光輻射，每一波列的振幅、相位和振動(dòng)方向都不能顯示出在哪一個(gè)值和在哪一個(gè)方向上更占優(yōu)勢(shì)。普通光源所發(fā)出的光對(duì)于其傳播方向軸對(duì)稱分布，其光矢量在與光的傳播方向垂直的平面(紙面)上的分布如圖3- 1 ( a )所示。部分偏振光：光波包括了一切可能方向的橫振動(dòng)，但不同方向上的振幅不同。在某一方向上的振幅最大，與之正交的方向上振幅最小。圖3- 1 ( b ) ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) 圖3- 1 自然光和偏振光的光矢量分布二 二 偏振光的產(chǎn)生1

4、、 射和折射時(shí)的偏振現(xiàn)象自然光在任意兩種各向同性介質(zhì)的分界面上發(fā)生反射和折射時(shí)，反射光和折射光皆部分偏振光2二向色性 圖3 - 2 二向色性有些晶體對(duì)不同方向的電磁振動(dòng)具有選擇吸收的性質(zhì)。天然的電氣石晶體呈六角形的片狀，長(zhǎng)對(duì)角線的方向稱為它的光軸。當(dāng)光線照射在這種晶體的表面上時(shí)，振動(dòng)的電矢量與光軸平行時(shí)被吸收得較少，光可以較多地通過(guò)；電矢量與光軸垂直時(shí)被吸收得較多，光通過(guò)得很少，如左圖。3晶體雙折射現(xiàn)象 圖 3- 3 o光和e光一束光在各向異性的晶體內(nèi)分成了兩束，它們的折射程度不同，這種現(xiàn)象通常稱為雙折射。如圖3 - 3所示，如果讓一束平行的自然光正入射到一塊方解石晶體的一個(gè)表面上，我們將發(fā)現(xiàn)

5、該束光在通過(guò)方解石后被分解成了兩束。尋常光(o光)：晶體內(nèi)符合普通折射定律的折射光線。非常光(e光)：晶體內(nèi)違背普通折射定律的折射光線 折射定律可以普遍地表述為：“折射波法線、入射波法線以及界面法線三者共面；波法線與界面法線間夾角的正弦和折射率的乘積在界面兩側(cè)相等?！?那么，對(duì)e光來(lái)說(shuō)，這個(gè)普遍的折射定律仍然是適用的。我們知道，波法線與波面垂直，代表波的相位傳播方向；而波線或光線所代表的卻是波擾動(dòng)的傳播方向或能量流動(dòng)的方向。對(duì)于晶體中的e光來(lái)說(shuō)，光線與波法線一般來(lái)說(shuō)并不重合(參見圖17-13惠更斯作圖法)。e光的光線不滿足普通的折射定律，而波法線卻滿足普遍的折射定律。利用檢偏器可以看出，從雙折

6、射晶體射出的這兩束光都是線偏振光，它們的振動(dòng)方向相互垂直。§3 - 2 光的吸收光與物質(zhì)的相互作用（光與原子中電子的相互作用）光的吸收、散射和色散現(xiàn)象一 吸收定律圖3 - 4 光的吸收規(guī)律光的吸收:通過(guò)物質(zhì)時(shí)，光的強(qiáng)度隨著穿進(jìn)物質(zhì)的深度而減小的現(xiàn)象。在相當(dāng)寬的光強(qiáng)范圍內(nèi)，有, (3. 1)aa： 該物質(zhì)的吸收系數(shù)。若入射光強(qiáng)為I0，則通過(guò)厚度為d的物質(zhì)后的光強(qiáng)為,(3. 2)布格定律表明，厚度等于1/aa的一薄層物質(zhì)，可使光強(qiáng)減小到原來(lái)的1/e » 36 %. 對(duì)可見光，大氣壓強(qiáng)下的 aa 10-5 cm-1 （空氣）aa 10-2 cm-1； （玻璃）aa 104 - 1

7、05 cm-1 （金屬）在顯微鏡下觀察巖礦標(biāo)本時(shí)，常把樣品磨成很薄的薄片。激光的出現(xiàn)，使人們能夠掌握的光強(qiáng)比原來(lái)大了十幾個(gè)數(shù)量級(jí)，光和物質(zhì)的非線性相互作用過(guò)程顯示了出來(lái)，這時(shí)吸收系數(shù)aa與折射率n等都依賴于光強(qiáng)，布格定律不再成立。二 一般吸收和選擇吸收 吸收光譜物質(zhì)對(duì)電磁波的吸收具有選擇性。任何一種物質(zhì)，它對(duì)某些波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光可以是透明的，而對(duì)另一些波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光卻可以是不透明的。普通玻璃對(duì)可見光是透明的，但是對(duì)紅外線和紫外線卻都有強(qiáng)烈的吸收，是不透明的。地球表面上的大氣，盡管它對(duì)可見光和波長(zhǎng)在300 nm以上的紫外線是透明的，但對(duì)紅外線只在某些狹窄的波段內(nèi)是透明的，它們稱為大氣窗口，在1 -

8、 15 mm之間有7個(gè)大氣窗口。此外，大氣中的臭氧會(huì)強(qiáng)烈地吸收波長(zhǎng)短于300 nm的紫外線。兩種類型： 一般吸收：物質(zhì)對(duì)給定波段內(nèi)各種波長(zhǎng)光的吸收程度幾乎相同，可見光束通過(guò)物質(zhì)后只改變光強(qiáng)，而不改變顏色。選擇吸收：物質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)的光的吸收特別強(qiáng)。選擇吸收的物質(zhì)會(huì)使通過(guò)它的白光變?yōu)椴噬?。絕大部分物體之所以呈現(xiàn)顏色，都是其表面或體內(nèi)對(duì)可見光進(jìn)行選擇吸收的結(jié)果。鈉黃光照射下的紅花綠葉之所以均呈黑色，是因?yàn)樗鼈儗?duì)黃光有強(qiáng)烈的吸收。吸收光譜：具有連續(xù)譜的光通過(guò)待研究的具有選擇吸收的物質(zhì)，可以觀測(cè)到在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條暗線或暗帶，這就是吸收光譜，說(shuō)明某些波長(zhǎng)或波段的光被吸收了。同一物質(zhì)的發(fā)射譜

9、和吸收光譜之間有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即物質(zhì)自身發(fā)射哪些波長(zhǎng)的光，它就強(qiáng)烈吸收這些波長(zhǎng)的光。線狀譜、帶狀譜和連續(xù)譜( 物質(zhì)的發(fā)射譜和吸收光譜): 原子氣體的光譜是線狀譜，分子氣體、液體和固體的光譜是帶狀譜。原子吸收光譜的應(yīng)用：如何探測(cè)太陽(yáng)的元素構(gòu)成？太陽(yáng)光譜是典型的暗線吸收光譜，在其連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條的暗線，稱為夫瑯禾費(fèi)譜線。這些譜線是處于較低溫度的太陽(yáng)大氣中的原子，對(duì)更加熾熱的內(nèi)核發(fā)射的連續(xù)光譜進(jìn)行選擇吸收的結(jié)果。將這些吸收譜線的波長(zhǎng)，與地球上已知物質(zhì)的原子發(fā)射光譜進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)表面層中主要包含有氫、氦，還有鈉、氧、鐵和鈣等60多種元素。氦元素首先就是在太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)的，其英文名稱h

10、elium，源于希臘文helios，是太陽(yáng)的意思。原子吸收光譜的靈敏度很高，混合物或化合物中原子含量極少的變化，都會(huì)在光譜中反映出吸收系數(shù)很大的改變。歷史上，曾靠這種方法發(fā)現(xiàn)了銫、銣、鉈、銦和鎵等多種元素。原子吸收光譜在化學(xué)的定量分析中有廣泛的應(yīng)用。帶狀吸收光譜用來(lái)定性鑒定或定量測(cè)定有機(jī)化合物，研究分子力和分子結(jié)構(gòu)。分子氣體、液體和固體一般在紅外波段有選擇吸收，吸收譜線密集地組成帶狀，形成帶狀吸收光譜。不同的分子有其顯著不同的紅外吸收光譜，即使是分子量相同且其他物理化學(xué)性質(zhì)也基本相同的同質(zhì)異構(gòu)體，它們的紅外吸收光譜也明顯不同。§3 - 3 光的散射光的散射：當(dāng)光束通過(guò)不均勻的介質(zhì)時(shí)，

11、會(huì)散開。這是光在傳播時(shí)因與物質(zhì)中的分子作用而改變其光強(qiáng)的空間分布、偏振狀態(tài)或頻率的過(guò)程。在光的散射過(guò)程中，光與分子的作用幾乎是瞬時(shí)的。一 瑞利散射研究線度比光的波長(zhǎng)小的微粒的散射問(wèn)題：散射光的頻率 入射光的頻率散射光強(qiáng) , (3. 3)稱為瑞利散射定律。若散射微粒的尺度比光的波長(zhǎng)小，作用在散射微粒上的電場(chǎng)可視為交變的均勻場(chǎng)，于是散射微粒在極化時(shí)只感生電偶極矩。按照經(jīng)典的電磁理論，偶極振子的輻射功率正比于頻率的四次方。由于熱運(yùn)動(dòng)破壞了散射微粒之間的位置關(guān)聯(lián)，各偶極振子輻射的子波不再是相干的，計(jì)算散射光強(qiáng)時(shí)應(yīng)將子波的強(qiáng)度而不是振幅疊加起來(lái)。因此，散射光強(qiáng)正比于頻率的四次方，即反比于波長(zhǎng)的四次方。利

12、用瑞利散射定律解釋：白晝天空之亮: 大氣散射把陽(yáng)光從各個(gè)方向射向觀察者，否則，只看到在漆黑的背景中有一輪光輝奪目的太陽(yáng)。Blue sky: 按照瑞利散射定律，白光中波長(zhǎng)較短的藍(lán)、紫色光所受到的散射，要比波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅、黃色光強(qiáng)烈得多。散射光將因短波的富集呈蔚藍(lán)色。雨后天更藍(lán)：大氣散射（主要）密度漲落引起的分子散射+（其次）懸浮塵埃的散射，前者的尺度比后者小得多，瑞利l4反比律的作用更加明顯。所以，每當(dāng)雨過(guò)天晴的時(shí)候，天空總是藍(lán)得格外美麗。，而透射光將呈紅色。這就是天空呈蔚藍(lán)色，旭日和夕陽(yáng)呈紅色的原因。大氣的散射主要是密度漲落引起的分子散射，其次才是懸浮塵埃的散射，前者的尺度比后者小得多，瑞利l4

13、反比律的作用更加明顯。所以，每當(dāng)雨過(guò)天晴的時(shí)候，天空總是藍(lán)得格外美麗。早晚陽(yáng)光以很大的傾角穿過(guò)大氣層，經(jīng)歷大氣層的厚度要比中午大得多，從而大氣的散射效應(yīng)也要強(qiáng)烈得多，這就是旭日初升時(shí)顏色顯得特別殷紅的原因。二 拉曼散射1在光的散射過(guò)程中，如果分子的狀態(tài)也發(fā)生改變，則入射光與分子交換能量的結(jié)果可以導(dǎo)致散射光的頻率發(fā)生改變。在散射光譜中除了與入射光原有角頻率w0相同的瑞利散射線外，譜線兩側(cè)還有角頻率為, 等的散射線。拉曼散射的強(qiáng)度極小，約為瑞利散射的千分之一。2，實(shí)驗(yàn)規(guī)律：1 ) 在每條角頻率為w0的入射光譜線的兩旁，都伴有角頻率為的散射譜線。在長(zhǎng)波一側(cè)的角頻率為的譜線，稱為紅伴線或斯托克斯線；在短波一側(cè)的角頻率為的譜線，稱為紫伴線或反斯托克斯線。2 ) 角頻率差的數(shù)值與入射光角頻率w0無(wú)關(guān)。3 ) 每種散射物質(zhì)都有各自的一套角頻率差，其中有些與物質(zhì)的紅外吸收角頻率相等，表征散射物質(zhì)的分子振動(dòng)頻率。3應(yīng)用： “光學(xué)”最低限