第六章 光的吸收、散射和色散

1、1了解電偶極子模型及其對(duì)反射和折射現(xiàn)象、布了解電偶極子模型及其對(duì)反射和折射現(xiàn)象、布儒斯特定律的解釋儒斯特定律的解釋; 2理解理解光的吸收的原因，朗伯定律，吸收光譜光的吸收的原因，朗伯定律，吸收光譜; 3理解理解光的散射的原因，散射的分類(lèi)及其特性光的散射的原因，散射的分類(lèi)及其特性; 4理解理解色散的特點(diǎn)，正常色散和反常色散的原因色散的特點(diǎn)，正常色散和反常色散的原因; 5了解電偶極子振子模型及其經(jīng)典電子理論對(duì)光了解電偶極子振子模型及其經(jīng)典電子理論對(duì)光的吸收、散射和色散的解釋的吸收、散射和色散的解釋.教教 學(xué)學(xué) 目目 標(biāo)標(biāo) 當(dāng)光波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，由于光波和物當(dāng)光波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，由于光波和物質(zhì)的相互

2、作用，一般呈現(xiàn)兩種效應(yīng)，一種是質(zhì)的相互作用，一般呈現(xiàn)兩種效應(yīng)，一種是速度減慢引起的折射和雙折射現(xiàn)象；另一種速度減慢引起的折射和雙折射現(xiàn)象；另一種是光能減弱的消光是光能減弱的消光 (extinction)現(xiàn)象。消光現(xiàn)現(xiàn)象。消光現(xiàn)象中，將光能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量，是吸象中，將光能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量，是吸收收 (absorption)現(xiàn)象；而有部分光波沿其它方現(xiàn)象；而有部分光波沿其它方向傳播，是散射向傳播，是散射 (scattering)現(xiàn)象。對(duì)于沿原現(xiàn)象。對(duì)于沿原方向傳播的光波來(lái)說(shuō)，這兩種現(xiàn)象都使光能方向傳播的光波來(lái)說(shuō)，這兩種現(xiàn)象都使光能減弱，起消光作用。減弱，起消光作用。 除真空外，任何介質(zhì)對(duì)

3、電磁波都不是絕除真空外，任何介質(zhì)對(duì)電磁波都不是絕對(duì)透明。這是由于光通過(guò)介質(zhì)時(shí)光通過(guò)物質(zhì)時(shí)對(duì)透明。這是由于光通過(guò)介質(zhì)時(shí)光通過(guò)物質(zhì)時(shí)其傳播情況就會(huì)發(fā)生變化：其傳播情況就會(huì)發(fā)生變化： 光束越深入物質(zhì)，強(qiáng)度將越減弱光束越深入物質(zhì)，強(qiáng)度將越減弱光的能量被物質(zhì)吸收光的能量被物質(zhì)吸收光的吸收光的吸收光向各個(gè)方向散射光向各個(gè)方向散射光的散射。光的散射。 光在物質(zhì)中傳播的速度將小于真空中的光在物質(zhì)中傳播的速度將小于真空中的速度且隨頻率而變化速度且隨頻率而變化光的色散。光的色散。光和物質(zhì)的相互作用是不同光和物質(zhì)的相互作用是不同物質(zhì)光學(xué)性物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)質(zhì)的主要表現(xiàn)的主要表現(xiàn)光的吸收、散射和色散都光的吸收、散射和色散都

4、是由光和物質(zhì)中的原子中電子的相互作用是由光和物質(zhì)中的原子中電子的相互作用.一一. . 電偶極子模型電偶極子模型 6.1 電偶極子輻射對(duì)反射和折射現(xiàn)象的解釋電偶極子輻射對(duì)反射和折射現(xiàn)象的解釋光照射物質(zhì)時(shí)，策動(dòng)物質(zhì)中的電子和原子核振蕩，由光照射物質(zhì)時(shí)，策動(dòng)物質(zhì)中的電子和原子核振蕩，由于核的質(zhì)量比電子重得多，故于核的質(zhì)量比電子重得多，故只考慮電子的振蕩只考慮電子的振蕩即即: 電偶極子振蕩電偶極子振蕩在經(jīng)典理論中是不能完全正確地解釋光和物質(zhì)相互作在經(jīng)典理論中是不能完全正確地解釋光和物質(zhì)相互作用關(guān)系，但是可以簡(jiǎn)單而直觀說(shuō)明有關(guān)物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)用關(guān)系，但是可以簡(jiǎn)單而直觀說(shuō)明有關(guān)物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的許多主要現(xiàn)象。的許

5、多主要現(xiàn)象。l r q + + q - - q q r r a a lqp q+ +q- -振蕩偶極子周?chē)碾姶艌?chǎng)振蕩偶極子周?chē)碾姶艌?chǎng)如圖：如圖：用球坐標(biāo)來(lái)表示電偶極子向周?chē)椨们蜃鴺?biāo)來(lái)表示電偶極子向周?chē)椛涞碾姶挪ǖ氖噶筷P(guān)系，電偶極子的射的電磁波的矢量關(guān)系，電偶極子的電矩電矩矢量矢量P沿著沿著Z軸，沿任一方向軸，沿任一方向(極角為極角為)的的波的電矢量波的電矢量E沿著經(jīng)線(xiàn)，磁矢量沿著經(jīng)線(xiàn)，磁矢量H沿著緯沿著緯線(xiàn)，各處的波都是平面偏振的線(xiàn)，各處的波都是平面偏振的式中式中e為電子所帶的電量，為電子所帶的電量，z為電子離開(kāi)原點(diǎn)的距離，為電子離開(kāi)原點(diǎn)的距離，為電子為電子振動(dòng)的圓頻率，并設(shè)正電荷靜止

6、在坐標(biāo)原點(diǎn)。振動(dòng)的圓頻率，并設(shè)正電荷靜止在坐標(biāo)原點(diǎn)。 在電動(dòng)力學(xué)中，在電動(dòng)力學(xué)中，可以證明電偶極子所輻射的電磁波的電矢量和磁矢量的值各可以證明電偶極子所輻射的電磁波的電矢量和磁矢量的值各為為:reprrezp tAzcos)(cossin4220cRtRceAE-qcEH0坡印廷矢量坡印廷矢量的絕對(duì)值為的絕對(duì)值為 : ( 是電磁波能是電磁波能流密度矢量，叫做坡印廷矢量流密度矢量，叫做坡印廷矢量 )HESrrr201EcEHHESrr坡印廷矢量的平均值坡印廷矢量的平均值(波的強(qiáng)度波的強(qiáng)度)q222422020sin321cRAeEcISR表示觀察者離偶極子的距離表示觀察者離偶極子的距離光在半徑為

7、光在半徑為R的球面上各點(diǎn)的相位都的球面上各點(diǎn)的相位都相等，且相位較原點(diǎn)處落后了相等，且相位較原點(diǎn)處落后了R/c但是振幅隨但是振幅隨角而變，這就引起波的角而變，這就引起波的強(qiáng)度強(qiáng)度I(能流密度能流密度)在同一波面上的不在同一波面上的不均勻分布。如圖均勻分布。如圖解釋解釋1：均勻介質(zhì)中的直線(xiàn)傳播定律均勻介質(zhì)中的直線(xiàn)傳播定律. i. 分子線(xiàn)度很小（分子線(xiàn)度很?。╠ 10-8cm, 10-5cm) . 在一個(gè)分子在一個(gè)分子的不同部分上的不同部分上, 入射光的位相差可以忽略不計(jì)入射光的位相差可以忽略不計(jì).ii. 分子作受迫振動(dòng)分子作受迫振動(dòng)，發(fā)出電磁波，發(fā)出電磁波(偶極振子模型偶極振子模型)iii. 可

8、證明可證明.只要分子的密度是均勻的只要分子的密度是均勻的,次波相干迭加次波相干迭加的結(jié)果只剩下遵從幾何光學(xué)規(guī)律的光線(xiàn)的結(jié)果只剩下遵從幾何光學(xué)規(guī)律的光線(xiàn). 沿其余沿其余的振動(dòng)干涉相消的振動(dòng)干涉相消 用半波帶概念用半波帶概念.iv. 用惠更斯用惠更斯 菲涅耳原理可解釋菲涅耳原理可解釋. 但此處的但此處的“次波次波”有真實(shí)的振源有真實(shí)的振源.二二. . 電偶極輻射對(duì)反射和折射現(xiàn)象的初步解釋電偶極輻射對(duì)反射和折射現(xiàn)象的初步解釋 解釋解釋2：反射、折射定律反射、折射定律解釋解釋3：布儒斯特定律布儒斯特定律反射和折射是由于兩種介質(zhì)界面上分子性質(zhì)的不連續(xù)性而引反射和折射是由于兩種介質(zhì)界面上分子性質(zhì)的不連續(xù)性

9、而引起的。介質(zhì)不同起的。介質(zhì)不同, 輻射阻尼力不同輻射阻尼力不同, 故在不同介質(zhì)中有不同的故在不同介質(zhì)中有不同的波速（相速）造成波速（相速）造成合成波等相位面的改變合成波等相位面的改變.反射光：反射光：002| q qq qsinI如圖：它表示在折射率為如圖：它表示在折射率為n2的介質(zhì)中，一個(gè)分的介質(zhì)中，一個(gè)分子電偶極子在子電偶極子在E2的作用下，沿著平行于的作用下，沿著平行于E2的的Z軸方向做受迫振動(dòng)時(shí)所輻射的軸方向做受迫振動(dòng)時(shí)所輻射的“次波次波”，當(dāng)反，當(dāng)反射光方向恰和射光方向恰和Z軸平行，因而在這個(gè)方向上沒(méi)軸平行，因而在這個(gè)方向上沒(méi)有有“次波。次波。”所以沒(méi)有反射光。所以沒(méi)有反射光。6.

10、2 光的吸收光的吸收光光通通過(guò)過(guò)介介質(zhì)質(zhì)時(shí)時(shí) 光強(qiáng)度減小光強(qiáng)度減小 散射散射 吸收吸收 成彩色成彩色. 色散色散 n(0,) (入射光頻率入射光頻率) 速度變慢或彎曲速度變慢或彎曲. n 不同不同.出現(xiàn)出現(xiàn)折射和雙折折射和雙折射現(xiàn)象、反射射現(xiàn)象、反射 一、一般吸收和選擇吸收一、一般吸收和選擇吸收 1. 一般吸收：一般吸收：在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，若某種媒質(zhì)對(duì)在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，若某種媒質(zhì)對(duì)于通過(guò)它的各種波長(zhǎng)的光波都作等量于通過(guò)它的各種波長(zhǎng)的光波都作等量(指能量指能量)吸收且吸收且吸收量很小，則稱(chēng)這種媒質(zhì)具有一般吸收性即吸收量很小，則稱(chēng)這種媒質(zhì)具有一般吸收性即 對(duì)對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)的光各個(gè)波長(zhǎng)的光, 吸收都

11、相同吸收都相同. 其特點(diǎn)：光波幾乎能透射，即通常的透明體其特點(diǎn)：光波幾乎能透射，即通常的透明體2.2.選擇吸收選擇吸收：若媒質(zhì)吸收某種波長(zhǎng)的光能比較顯著，若媒質(zhì)吸收某種波長(zhǎng)的光能比較顯著，并且隨波長(zhǎng)變化而劇烈變化。稱(chēng)它具有選擇吸收并且隨波長(zhǎng)變化而劇烈變化。稱(chēng)它具有選擇吸收。即對(duì)個(gè)別波長(zhǎng)即對(duì)個(gè)別波長(zhǎng)、波段的光波段的光, 有強(qiáng)烈吸收有強(qiáng)烈吸收. 任一物質(zhì)對(duì)光的吸收都由這兩種吸收組成。任一物質(zhì)對(duì)光的吸收都由這兩種吸收組成。選擇吸收性是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因選擇吸收性是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因例如例如:綠色玻璃是把入射的白色光中的紅色光和藍(lán)色綠色玻璃是把入射的白色光中的紅色光和藍(lán)色光吸收掉光吸收掉,只剩

12、下綠色光能夠透射過(guò)去只剩下綠色光能夠透射過(guò)去帶色物體一般可區(qū)分為體色和表面色帶色物體一般可區(qū)分為體色和表面色 大多數(shù)天然物質(zhì)如顏料、花等的顏色都是在光入大多數(shù)天然物質(zhì)如顏料、花等的顏色都是在光入射物體內(nèi)部相當(dāng)深處的過(guò)程中，由于某些波長(zhǎng)的光被射物體內(nèi)部相當(dāng)深處的過(guò)程中，由于某些波長(zhǎng)的光被選擇吸收后，使得物體呈現(xiàn)選擇吸收后，使得物體呈現(xiàn)未被吸收未被吸收的色光的顏色的色光的顏色體色：體色：即物體的顏色是由于物體內(nèi)部成分不同而形成即物體的顏色是由于物體內(nèi)部成分不同而形成的，所以叫作體色的，所以叫作體色,呈現(xiàn)體色物體的透射光和反射光的呈現(xiàn)體色物體的透射光和反射光的顏色是一樣的顏色是一樣的 表面色：表面色

13、：物體的顏色是由于物體表面的選擇反射形成物體的顏色是由于物體表面的選擇反射形成的，所以叫作表面色的，所以叫作表面色 例如例如: 被黃金薄膜反射的光呈現(xiàn)黃色，而由它們透射被黃金薄膜反射的光呈現(xiàn)黃色，而由它們透射的光則是綠色的光則是綠色 不具有選擇反射性表面所反射的光，仍呈現(xiàn)白不具有選擇反射性表面所反射的光，仍呈現(xiàn)白色例如，啤酒的泡沫呈現(xiàn)白色，而啤酒本身卻是深色例如，啤酒的泡沫呈現(xiàn)白色，而啤酒本身卻是深黃色黃色 光譜色：光譜色：光譜中的顏色，但是每一種的顏色都是純色光譜中的顏色，但是每一種的顏色都是純色 實(shí)際生活中：實(shí)際生活中：有許多種顏色在光譜中并不存在；例如，有許多種顏色在光譜中并不存在；例如

14、，在光譜里找不出和高錳酸鉀溶液的紫紅色一樣的顏在光譜里找不出和高錳酸鉀溶液的紫紅色一樣的顏色令白色光透射高錳酸鉀溶液后，再用分光儀檢查色令白色光透射高錳酸鉀溶液后，再用分光儀檢查之，可發(fā)現(xiàn)這種溶液能完全吸收光譜中部的各色光而之，可發(fā)現(xiàn)這種溶液能完全吸收光譜中部的各色光而能透射光譜兩端的紅色光和紫色光，所以這種溶液所能透射光譜兩端的紅色光和紫色光，所以這種溶液所顯示的紫紅色正是紅色和紫色的混合色顯示的紫紅色正是紅色和紫色的混合色 玻璃：玻璃：對(duì)可見(jiàn)光透明，對(duì)紫對(duì)可見(jiàn)光透明，對(duì)紫 外、紅外不透明外、紅外不透明 ( 吸收吸收 )橡皮：橡皮：對(duì)可見(jiàn)光不透明（吸收），對(duì)紅外光透明對(duì)可見(jiàn)光不透明（吸收），

15、對(duì)紅外光透明.混泥土：混泥土：對(duì)可見(jiàn)光不透明（吸收），對(duì)無(wú)線(xiàn)電波透明對(duì)可見(jiàn)光不透明（吸收），對(duì)無(wú)線(xiàn)電波透明.樹(shù)木樹(shù)木: 對(duì)綠光反射，對(duì)其它光吸收對(duì)綠光反射，對(duì)其它光吸收.二、朗伯定律二、朗伯定律i. 對(duì)介質(zhì)對(duì)介質(zhì)遵從遵從朗伯定律朗伯定律（或（或布格爾定律布格爾定律）.光能光能振動(dòng)能振動(dòng)能平動(dòng)能平動(dòng)能熱能熱能IdxdIaa-a aa 吸收系數(shù)吸收系數(shù)-laIIdxIdI00alaeIIa a- - 0對(duì)空氣：對(duì)空氣： ,1015- - - cmaa a對(duì)玻璃：對(duì)玻璃： 1012- - - cmaa aACaaC:.-A.-aaaCaaa稀溶液溶液的濃度與濃度無(wú)關(guān)的常數(shù)吸收系數(shù)C:.-A.-aaa

16、Caaa稀溶液溶液的濃度與濃度無(wú)關(guān)的常數(shù)吸收系數(shù)ii. 對(duì)液體對(duì)液體遵從遵從比爾定律比爾定律條件：條件：濃度較小，忽略分子間的相互作用濃度較小，忽略分子間的相互作用.AcleII- - 0該定律僅適用于物該定律僅適用于物質(zhì)分子的本領(lǐng)不受質(zhì)分子的本領(lǐng)不受其四周鄰近分子的其四周鄰近分子的影響的情況。影響的情況。例題例題玻璃的吸收系數(shù)為玻璃的吸收系數(shù)為10-2cm-1,空氣的吸收系數(shù)為空氣的吸收系數(shù)為10-5cm-1,試問(wèn)試問(wèn)1cm厚的玻璃所吸收的光厚的玻璃所吸收的光,相當(dāng)于多厚空氣層所吸收的光相當(dāng)于多厚空氣層所吸收的光?解:根據(jù)公式:)1 (00daeIIIa-I 為光通過(guò)厚度為d的吸收層以后的光

17、強(qiáng),a為吸收系數(shù).同樣強(qiáng)度的光通過(guò)不同吸收物質(zhì)的不同厚度,而產(chǎn)生相等的吸收的條件為:ddaaee-aa11ddaaaacmddaa10001011052-aa三、吸收光譜三、吸收光譜 大氣窗口：大氣窗口：115 m之間有之間有7個(gè)，反映大氣中水蒸汽、二氧化個(gè)，反映大氣中水蒸汽、二氧化碳和臭氧的含量碳和臭氧的含量.由于極少量混合物或化合物中由于極少量混合物或化合物中原子含的變化，吸收系數(shù)會(huì)變?cè)雍淖兓?，吸收系?shù)會(huì)變化很大，可用檢測(cè)混合物中的化很大，可用檢測(cè)混合物中的微量元素微量元素. .選擇選擇 吸收的微觀解釋吸收的微觀解釋: 入射光頻率與偶極振子固有頻率相同入射光頻率與偶極振子固有頻率相同時(shí)

18、時(shí)產(chǎn)生共振吸收產(chǎn)生共振吸收. (固有頻率對(duì)應(yīng)原子能級(jí)固有頻率對(duì)應(yīng)原子能級(jí)) 能能級(jí)級(jí)差差E,/E 0產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源所發(fā)出的光，通過(guò)有選擇吸收的介質(zhì)后，產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源所發(fā)出的光，通過(guò)有選擇吸收的介質(zhì)后，用分光計(jì)可以看出某些線(xiàn)段或某些波長(zhǎng)的光被吸收，這就形成用分光計(jì)可以看出某些線(xiàn)段或某些波長(zhǎng)的光被吸收，這就形成了吸收光譜。了吸收光譜。太陽(yáng)光穿入大氣層時(shí)被大氣吸收，水汽和二氧化碳在紅太陽(yáng)光穿入大氣層時(shí)被大氣吸收，水汽和二氧化碳在紅外區(qū)有強(qiáng)烈吸收，而臭氧則在紫外區(qū)有強(qiáng)烈吸收外區(qū)有強(qiáng)烈吸收，而臭氧則在紫外區(qū)有強(qiáng)烈吸收. . 到現(xiàn)在為止，我們已研究了光在各向同性介質(zhì)與各到現(xiàn)在為止，我們已研究了光在

19、各向同性介質(zhì)與各向異性介質(zhì)中的折射現(xiàn)象、反射現(xiàn)象、吸收現(xiàn)象。這向異性介質(zhì)中的折射現(xiàn)象、反射現(xiàn)象、吸收現(xiàn)象。這些現(xiàn)象給我們提供了許多關(guān)于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面些現(xiàn)象給我們提供了許多關(guān)于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面的知識(shí)。散射光的一切性質(zhì)它的光強(qiáng)、偏振與光譜的知識(shí)。散射光的一切性質(zhì)它的光強(qiáng)、偏振與光譜成分，也都反映了散射介質(zhì)的性質(zhì)。研究光的散射現(xiàn)成分，也都反映了散射介質(zhì)的性質(zhì)。研究光的散射現(xiàn)象可以使我們得到關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的豐富的知識(shí)。象可以使我們得到關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的豐富的知識(shí)。6.3 光的散射光的散射 在均勻介質(zhì)中在均勻介質(zhì)中,光能沿著折射光線(xiàn)方向傳播光能沿著折射光線(xiàn)方向傳播,在這種情在這種情形下形下,光朝各個(gè)

20、方向散射是不可能的光朝各個(gè)方向散射是不可能的.因?yàn)楣庠诰鶆蚪橐驗(yàn)楣庠诰鶆蚪橘|(zhì)中傳播時(shí)質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)中偶極子發(fā)出的次波具有與入射光介質(zhì)中偶極子發(fā)出的次波具有與入射光相同的頻率相同的頻率,并且由于偶極子之間有一定的位相關(guān)系并且由于偶極子之間有一定的位相關(guān)系,因而它們是相干光因而它們是相干光.散射的基本概念散射的基本概念1.定義：當(dāng)光束通過(guò)光學(xué)性質(zhì)不均勻的物定義：當(dāng)光束通過(guò)光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時(shí)從側(cè)面可以看到光的現(xiàn)象，稱(chēng)為光的質(zhì)時(shí)從側(cè)面可以看到光的現(xiàn)象，稱(chēng)為光的散射。散射。ll)(eIeIIsaa aa aa a- -+ +- - 00其特點(diǎn)其特點(diǎn):散射會(huì)使光在原傳播方向上的光強(qiáng)減弱，它散射會(huì)使光

21、在原傳播方向上的光強(qiáng)減弱，它遵守指數(shù)規(guī)律遵守指數(shù)規(guī)律一、非均勻介質(zhì)中散射的經(jīng)典圖象一、非均勻介質(zhì)中散射的經(jīng)典圖象介質(zhì)的不均勻性，使介質(zhì)粒子發(fā)出的介質(zhì)的不均勻性，使介質(zhì)粒子發(fā)出的次波次波，位相不恒定造成位相不恒定造成非相干迭加，在各處不會(huì)干涉相消，從而形成散射光非相干迭加，在各處不會(huì)干涉相消，從而形成散射光. 穩(wěn)定非均勻介質(zhì)穩(wěn)定非均勻介質(zhì) a a 不變不變, 彈性散射彈性散射 ( 瑞利散射、米氏散射）瑞利散射、米氏散射） 不穩(wěn)定非均勻介質(zhì)不穩(wěn)定非均勻介質(zhì) a a 變變, 非彈性散射非彈性散射 ( 拉曼、布里淵散射）拉曼、布里淵散射） 稱(chēng)為衰減系數(shù)兩者之和是散射系數(shù)是吸收系數(shù)式中aaa。，sa“次

22、波次波”發(fā)射中心的排列：發(fā)射中心的排列：一定有序一定有序完全有序完全有序散射散射. d .反射反射. d . 直線(xiàn)傳播直線(xiàn)傳播機(jī)理：機(jī)理：介質(zhì)中的電子在光波電磁場(chǎng)作用下作受迫振動(dòng)介質(zhì)中的電子在光波電磁場(chǎng)作用下作受迫振動(dòng),消耗能量消耗能量, 發(fā)射次波，由于介質(zhì)的小范圍的不均勻性發(fā)射次波，由于介質(zhì)的小范圍的不均勻性. )(rrr 產(chǎn)生衍射（即散射）產(chǎn)生衍射（即散射）.二二. . 散射、反射、漫射、衍射的區(qū)別散射、反射、漫射、衍射的區(qū)別 散射時(shí)無(wú)規(guī)則散射時(shí)無(wú)規(guī)則光的散射現(xiàn)象之所以區(qū)別于直射、反射和折射，主要因?yàn)楣獾纳⑸洮F(xiàn)象之所以區(qū)別于直射、反射和折射，主要因?yàn)椤按尾ù尾ā卑l(fā)射中心的排列不同發(fā)射中心的

23、排列不同.三、瑞利散射三、瑞利散射分子散射的理論首先是由瑞利提出來(lái)的，瑞利認(rèn)為由分子散射的理論首先是由瑞利提出來(lái)的，瑞利認(rèn)為由于分子的熱運(yùn)動(dòng)破壞了分子間固定的位置關(guān)系，使分于分子的熱運(yùn)動(dòng)破壞了分子間固定的位置關(guān)系，使分子所發(fā)出的次波不再相干，因而產(chǎn)生了旁向散射光。子所發(fā)出的次波不再相干，因而產(chǎn)生了旁向散射光。是分子所發(fā)的次波，到達(dá)觀察點(diǎn)沒(méi)有固定的相位關(guān)系，是分子所發(fā)的次波，到達(dá)觀察點(diǎn)沒(méi)有固定的相位關(guān)系，是不相干疊加。是不相干疊加。按電磁學(xué)理論：每個(gè)次波的振幅是和它的頻率的平方按電磁學(xué)理論：每個(gè)次波的振幅是和它的頻率的平方成正比，而每個(gè)次波的光強(qiáng)，又和它的振幅的平方成成正比，而每個(gè)次波的光強(qiáng)，又

24、和它的振幅的平方成正比。因而疊加這些次波的光強(qiáng)，可得散射光強(qiáng)和波正比。因而疊加這些次波的光強(qiáng)，可得散射光強(qiáng)和波長(zhǎng)的四次方成反比的瑞利定律。長(zhǎng)的四次方成反比的瑞利定律。)(144 I,I4)(:fI 或（d /20 ).例例: 白云、霧、白煙白云、霧、白煙.散射光強(qiáng)與散射光強(qiáng)與無(wú)關(guān)無(wú)關(guān) 白光散射白光散射,也可以為是衍射的結(jié)果也可以為是衍射的結(jié)果. 1） 懸浮質(zhì)點(diǎn)的散射懸浮質(zhì)點(diǎn)的散射. 如懸浮液如懸浮液 、乳狀液中的、乳狀液中的各懸各懸浮粒子發(fā)出次波，非相干迭加的散射浮粒子發(fā)出次波，非相干迭加的散射.2）臨界乳光）臨界乳光. 如在氣液二相點(diǎn)時(shí)，分子密度起如在氣液二相點(diǎn)時(shí)，分子密度起伏很大，形成的散

25、射伏很大，形成的散射. 2.分類(lèi)：分類(lèi)： 按不均勻團(tuán)塊性質(zhì)按不均勻團(tuán)塊性質(zhì)布里淵散射受激拉曼散射自發(fā)拉曼散射拉曼散射非線(xiàn)性米氏散射：線(xiàn)度瑞利散射：線(xiàn)度線(xiàn)性線(xiàn)度10/的運(yùn)動(dòng)造成局部漲落引起分子散射：由于分子熱的大氣等乳膠液，含有煙霧灰塵延德?tīng)栂瞪⑸洌耗z體，遷德?tīng)柹⑸洌耗z體、乳膠液、含有煙霧灰塵的大氣等遷德?tīng)柹⑸洌耗z體、乳膠液、含有煙霧灰塵的大氣等分子散射：由于分子熱運(yùn)動(dòng)成局部漲落引起的分子散射：由于分子熱運(yùn)動(dòng)成局部漲落引起的各向同性介質(zhì)：各向同性介質(zhì)：入射光是自然光，正側(cè)方入射光是自然光，正側(cè)方向向線(xiàn)偏振，線(xiàn)偏振，斜方斜方c 部分偏振，正對(duì)部分偏振，正對(duì)x 自然光自然光.各向異性介質(zhì)：各向異性介

26、質(zhì)：入射光是線(xiàn)偏振光，側(cè)向入射光是線(xiàn)偏振光，側(cè)向部分偏振部分偏振.xyxyIIIIP+-四、散射光的偏振性四、散射光的偏振性偏振度：偏振度：通常又用退偏度計(jì)算通常又用退偏度計(jì)算P-1五、散射光的強(qiáng)度五、散射光的強(qiáng)度光沿光沿x軸傳播，在軸傳播，在xoz平面觀察平面觀察: xzoy0IIy q q 余弦定律余弦定律a aq q2020cosIsinIIz )1(20a acosIIIIzy+ + + + zyII I 是部分偏振光是部分偏振光.02IIIy 時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng) a a為線(xiàn)偏振光為線(xiàn)偏振光.1906年巴拉克用來(lái)證年巴拉克用來(lái)證明明X射線(xiàn)是橫波射線(xiàn)是橫波，而不是，而不是縱波或粒子流縱波或粒子流.

27、電子、質(zhì)子、電子、質(zhì)子、介子都可用介子都可用雙散射雙散射來(lái)研究其偏振性來(lái)研究其偏振性 ! xyzca aq q雙散射：0 ImaxI射射線(xiàn)線(xiàn)X石蠟六、拉曼、布里淵散射六、拉曼、布里淵散射斯托克斯斯托克斯 拉拉曼散射曼散射 大大反斯托克斯反斯托克斯 拉拉曼散射曼散射 小小布里淵散射布里淵散射: 晶晶體中的體中的聲波參與聲波參與了能量交換了能量交換. 斯托克斯斯托克斯-拉曼散射拉曼散射 RS布里淵散射布里淵散射 BS彈性散射彈性散射l 布里淵散射布里淵散射 BS反斯托克斯反斯托克斯- 拉曼散射拉曼散射 RS2B 1B s AS 彈性散射彈性散射)(s )(As RS RS BS BS)(1 (d)

28、(a)(b)(c)非彈性散射非彈性散射6.4 光的色散光的色散 1. 光速光速 u真空中真空中, 與頻率無(wú)關(guān)與頻率無(wú)關(guān).都是都是c.介質(zhì)中介質(zhì)中, 與頻率有關(guān)與頻率有關(guān).)( ncu 因而產(chǎn)生色散現(xiàn)象因而產(chǎn)生色散現(xiàn)象.一、色散的特點(diǎn)一、色散的特點(diǎn)牛頓最早通過(guò)棱鏡折射來(lái)觀察色散現(xiàn)象，這種方法至今仍然牛頓最早通過(guò)棱鏡折射來(lái)觀察色散現(xiàn)象，這種方法至今仍然很有價(jià)值。很有價(jià)值。1. 色散光譜（由棱鏡折射而成）是非勻排的，衍射光譜（光色散光譜（由棱鏡折射而成）是非勻排的，衍射光譜（光柵）的譜線(xiàn)是勻排的。柵）的譜線(xiàn)是勻排的。2. 各種物質(zhì)的色散沒(méi)有簡(jiǎn)單的關(guān)系。各種物質(zhì)的色散沒(méi)有簡(jiǎn)單的關(guān)系。P283 圖6-1

29、1角色散率：角色散率： q qddD 單位波長(zhǎng)間隔兩單位波長(zhǎng)間隔兩譜線(xiàn)的角距離譜線(xiàn)的角距離.棱鏡：棱鏡： ddn/Asinn/AsinD)2(1)2(222- - 3.同一種物質(zhì)在不同波長(zhǎng)區(qū)的角色散率有不同的值：同一種物質(zhì)在不同波長(zhǎng)區(qū)的角色散率有不同的值：它是兩個(gè)因數(shù)的乘積：第一個(gè)因數(shù)主要與棱鏡的棱角它是兩個(gè)因數(shù)的乘積：第一個(gè)因數(shù)主要與棱鏡的棱角A有關(guān)，有關(guān)，第二個(gè)因數(shù)有關(guān)棱鏡物質(zhì)的色散特性。第二個(gè)因數(shù)有關(guān)棱鏡物質(zhì)的色散特性。要研究色散，重要的是找要研究色散，重要的是找 在各波長(zhǎng)區(qū)的值，或者找出在各波長(zhǎng)區(qū)的值，或者找出n=f（）的函數(shù)形式。）的函數(shù)形式。ddn二、正交棱鏡觀察法二、正交棱鏡觀察

30、法顯示色散最清楚的方法顯示色散最清楚的方法三、正常色散與反常色散三、正常色散與反常色散1. 1. 正常色散正常色散:波長(zhǎng)越短折射率越大的色散。波長(zhǎng)越短折射率越大的色散。42cban+這一經(jīng)驗(yàn)公式稱(chēng)為柯西方程這一經(jīng)驗(yàn)公式稱(chēng)為柯西方程經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)驗(yàn)公式，a、b、c為常數(shù)。一般為：為常數(shù)。一般為：.2dd,32bnban-+不同物質(zhì)的色散曲線(xiàn)沒(méi)有簡(jiǎn)單的相似關(guān)系不同物質(zhì)的色散曲線(xiàn)沒(méi)有簡(jiǎn)單的相似關(guān)系.色散曲線(xiàn)的特點(diǎn)：色散曲線(xiàn)的特點(diǎn)：波長(zhǎng)越短，折射率越大；波長(zhǎng)越短，折射率越大；波長(zhǎng)越短，波長(zhǎng)越短， 越大，角色散率也越大；越大，角色散率也越大；ddn在波長(zhǎng)一定時(shí)，不同物質(zhì)的折射率越大，在波長(zhǎng)一定時(shí)，不同物質(zhì)

31、的折射率越大， 也越大；也越大； ddn3. 實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn) 介質(zhì)的色散曲線(xiàn)介質(zhì)的色散曲線(xiàn) 可見(jiàn)光可見(jiàn)光重火石玻璃重火石玻璃輕火石玻璃輕火石玻璃水晶水晶冕玻璃冕玻璃熒石熒石n1.701.601.501.4002001000800 400600nm/ 介質(zhì)的色散曲線(xiàn)介質(zhì)的色散曲線(xiàn) 2.2.反常色散反常色散：波長(zhǎng)越短，折射率越小的色散波長(zhǎng)越短，折射率越小的色散.孔脫定律：反常色散總是與光孔脫定律：反常色散總是與光的吸收有密切聯(lián)系。的吸收有密切聯(lián)系。“反常反?！鄙?shí)際上也是很色散實(shí)際上也是很普遍的，普遍的，“反常反?！辈⒉环床⒉环闯?，常，“反常反?！鄙⒑蜕⒑汀罢３！鄙H是歷史上的名色散

32、僅是歷史上的名詞。詞。4. 色散色散類(lèi)型類(lèi)型正常正常: ( 紫紫端色散大端色散大)反常反常: ( 紅紅端色散大端色散大)0 ddnn;| ddnD | ddnD孔脫定律：孔脫定律：有選擇吸收的地方，必有色散有選擇吸收的地方，必有色散.對(duì)一般的對(duì)一般的“透明透明”物質(zhì)物質(zhì), 反常色散反常色散總是發(fā)生在總是發(fā)生在不不可可見(jiàn)光波段見(jiàn)光波段, ( 因可見(jiàn)光部分無(wú)吸收因可見(jiàn)光部分無(wú)吸收 ) . 因此因此, 在可見(jiàn)光在可見(jiàn)光區(qū)見(jiàn)到的都是正常色散區(qū)見(jiàn)到的都是正常色散. 0 ddnn一種透明物質(zhì)（如石英）在紅外區(qū)的反常色散一種透明物質(zhì)（如石英）在紅外區(qū)的反常色散. P287 圖圖618正常色散與反常色散曲線(xiàn)正

33、常色散與反常色散曲線(xiàn)例6.3 由a=1.53974和b=4.5628103nm2的玻璃構(gòu)成的折射棱角為500的棱鏡。當(dāng)棱鏡位置放得使它對(duì)550nm的波長(zhǎng)處于最小偏向角時(shí)，試計(jì)算這棱鏡的角色散率？解：根據(jù)角色散率的定義和棱鏡的性質(zhì)，得qddnAnAddD2sin12sin222-由柯西公式得折射率為55428. 12+ban將n和d/d的數(shù)值代入得)104849. 5(250sin55482. 11250sin2150220-nmddDqnmrad /101502. 65-可看成是可看成是光與束縛電子的相互作用光與束縛電子的相互作用 ！ 洛倫茲洛倫茲 電子電子 彈簧振子模型彈簧振子模型 對(duì)對(duì) n

34、 = n(0,)，麥?zhǔn)戏匠滩荒芙忉專(zhuān)準(zhǔn)戏匠滩荒芙忉? 因非單色因非單色光入射時(shí)，光入射時(shí)， )()(tEtD 不成立不成立. 阻尼力產(chǎn)生的原因阻尼力產(chǎn)生的原因: 電子激發(fā)電磁場(chǎng)的同時(shí)電子激發(fā)電磁場(chǎng)的同時(shí), 電磁場(chǎng)對(duì)電子也有反作用電磁場(chǎng)對(duì)電子也有反作用. a. 輻射阻尼（郭碩鴻輻射阻尼（郭碩鴻 P. 325） b. 電子電磁質(zhì)量產(chǎn)生的阻尼電子電磁質(zhì)量產(chǎn)生的阻尼 *6.5 吸收、散射、色散的經(jīng)典理論吸收、散射、色散的經(jīng)典理論受力受力 外電場(chǎng)（光）的強(qiáng)迫力外電場(chǎng)（光）的強(qiáng)迫力: qE 核束縛核束縛 準(zhǔn)彈性力準(zhǔn)彈性力: -r 阻尼力阻尼力: -g gv tieEEam 020 令得：由FtieEmq

35、rdtdrdtrd g g02022 + + +穩(wěn)態(tài)解穩(wěn)態(tài)解:tieEimqr g g 02201+ +- - 3. 0 高頻散射高頻散射. ( x射線(xiàn)、射線(xiàn)、g g 射線(xiàn)的散射，射線(xiàn)的散射， 波長(zhǎng)波長(zhǎng) re電子半徑的條件仍成立，電子半徑的條件仍成立， g g ),s無(wú)無(wú)關(guān)關(guān)與與 4. =0 共振現(xiàn)象共振現(xiàn)象. 強(qiáng)烈吸收入射波然后再發(fā)射強(qiáng)烈吸收入射波然后再發(fā)射.按量子力學(xué)觀點(diǎn)按量子力學(xué)觀點(diǎn).即從一能級(jí)到另一能級(jí)的躍遷即從一能級(jí)到另一能級(jí)的躍遷. 拉曼，布里淵散射拉曼，布里淵散射./E 0 電極化強(qiáng)度電極化強(qiáng)度: tieEimNqNqrp g g 022021+ +- - 5. 吸收和色散現(xiàn)象吸

36、收和色散現(xiàn)象 成自由電子散射，即成自由電子散射，即 湯姆遜散射湯姆遜散射.)(而10極極化化率率eereEp + + 22222022002)()(g g + +- - - mNqRee22222002)()(g g g g + +- - mNqIem一般吸收區(qū)一般吸收區(qū): 弱吸收弱吸收 g g 0 （瑞利、米散射時(shí)）（瑞利、米散射時(shí)） eerRn + + + + 11令令:20020 mNq 稱(chēng)為稱(chēng)為: 低頻電極化率低頻電極化率.則有則有:21200200)(11)(11- - -+ + - -+ + /n4220)(2111 CBAne+ + + + + + + 柯希公式柯希公式選擇吸收區(qū)選擇吸收區(qū): 強(qiáng)吸收強(qiáng)吸收 = 0 （拉曼、布里淵散射時(shí)）（拉曼、布里淵散射時(shí)） 222220