光的吸收、色散和散射資料

1、1光的吸收、色散(ssn)和散射共五十二頁2 光的吸收、色散和散射(snsh)理論主要討論光與物質(zhì)的相互作用。這類現(xiàn)象的研究有兩方面的意義：一方面進(jìn)一步了解光的本性，另一方面可得到許多有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息。共五十二頁3光射入媒質(zhì)，主要發(fā)生兩個(gè)方面的變化： 強(qiáng)度逐漸減弱 吸收和散射速度小于 ，且隨 變化 色散 定性討論光的吸收，色散和散射現(xiàn)象及其經(jīng)典解釋。光與物質(zhì)相互作用的嚴(yán)格理論由量子力學(xué)(lin z l xu)與量子電動力學(xué)討論。共五十二頁電偶極子模型(mxng) 光 物質(zhì)，物質(zhì)中分子，原子或離子中電荷在 作用下受迫振動。分子看作做簡諧振動的電偶極子 理想模型 振子在振動時(shí)，發(fā)射(fsh)次級

2、電磁波。 此模型是粗略的，卻有一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)（如高溫低壓氣體會發(fā)射或吸收特定頻率的光波），也能定性解釋一些現(xiàn)象，并為用量子理論解釋作準(zhǔn)備。分子光學(xué)的基本概念 共五十二頁光的吸收 除了真空，沒有一種物質(zhì)對電磁波是絕對透明的，光進(jìn)入物質(zhì)，使帶電粒子受迫振動，一部分光能 振動能 平均動能。使分子熱運(yùn)動能量增加，即光能轉(zhuǎn)化成熱能，光能減少 吸收。 分子碰撞共五十二頁一 吸收(xshu)的線性規(guī)律 1.朗伯定律(dngl) 實(shí)驗(yàn)表明，在相當(dāng)廣闊的光強(qiáng)范圍即：光通過 光的吸收 比例系數(shù) 與光強(qiáng)無關(guān)（對給定波長） 該物質(zhì)的吸收系數(shù)共五十二頁若光通過厚度為 的媒質(zhì) 朗伯定律(dngl)（J.H.Lambert

3、，1729）亦稱為(chn wi)布格爾定律（P.Bouguer，1729）光的吸收 共五十二頁2.比爾定律(dngl) 實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)光被透明溶劑中溶解的物質(zhì)所吸收時(shí)， 與濃度 成正比。 是一個(gè)與濃度無關(guān)的常數(shù)。（表征吸收物質(zhì)的分子特性）比爾定律(dngl) 它適用于濃度不太大的情況。這是吸收光譜分析的原理。光的吸收 共五十二頁 光吸收的線性規(guī)律（如上）：在光強(qiáng)不太強(qiáng)時(shí)(Laser出現(xiàn)以前)相當(dāng)精確，Laser發(fā)明后，人們獲得了光強(qiáng)比原來大幾個(gè)乃至十幾個(gè)數(shù)量級的光源，光和物質(zhì)的非線性作用顯示出來 非線性光學(xué) 。這時(shí)， 將與其它許多系數(shù) (如n )一樣，與電、磁場或光強(qiáng)有關(guān)，朗伯定律不再成立。3

4、.說明(shumng) 光的吸收 共五十二頁二 光的吸收(xshu)與波長的關(guān)系 可見光范圍內(nèi)普遍吸收 光通過媒質(zhì)只改變強(qiáng)度不改變顏色。1.普遍吸收（一般吸收）：某物質(zhì)對各種波長的光的吸收程度幾乎相等，即 與 無關(guān)（如空氣，純水，無色玻璃等在可見光范圍內(nèi)）2.選擇吸收：物質(zhì)對某些波長的光的吸收特別(tbi)強(qiáng)烈。對可見光的選擇吸收，會使白光 彩色光 光的吸收 共五十二頁 絕大部分物體呈現(xiàn)顏色(yns)，都是其表面或體內(nèi)對可見光的選擇吸收的結(jié)果。 選擇吸收是光與物質(zhì)作用的普遍規(guī)律，對廣闊的電磁波譜而言，普遍吸收的媒質(zhì)(mizh)不存在。 如地球大氣對可見光和 的紫外線透明。 的紫外線被臭氧強(qiáng)烈吸

5、收。對紅外線，大氣只是在某些狹窄波段內(nèi)透明 大氣窗口。這里吸收物質(zhì)是水蒸汽。研究“大氣窗口”的變化在紅外技術(shù)和氣象預(yù)報(bào)中應(yīng)用廣泛。4-2光的吸收 共五十二頁三 吸收光譜(x shu un p) 1.光譜實(shí)驗(yàn)：觀測物質(zhì)對光的選擇(xunz)吸收。吸收物質(zhì)白光光譜儀分光計(jì)可調(diào)諧掃描激光（染料）光的吸收 共五十二頁132.吸收光譜(x shu un p) Na蒸氣吸收光譜光的吸收 共五十二頁 同一物質(zhì)(wzh)的發(fā)射光譜和吸收光譜之間有對應(yīng)關(guān)系。 具有連續(xù)譜的光通過吸收物質(zhì)后再經(jīng)光譜儀分析，顯示出某些波段或某些波長的光被吸收 吸收光譜。 物質(zhì)的發(fā)射和吸收光譜有三種：線光譜（原子氣體），帶光譜（分子(

6、fnz)氣體，液體，固體）和連續(xù)光譜。光的吸收 共五十二頁 靈敏度很高，混合物或化合物中極少量原子含量的變化，會在光譜中反映出吸收系數(shù)很大的改變 光譜分析（理論研究和生產(chǎn)、生活）。 歷史上靠這種方法(fngf)發(fā)現(xiàn)了銫，銣，鉈，銦，鎵 等新元素。3.應(yīng)用(yngyng)光的吸收 共五十二頁 He元素的發(fā)現(xiàn)：1868(法)嚴(yán)森在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)一些不知來源的暗線（吸收線），英國(yn u)天文學(xué)家洛克厄把這一現(xiàn)象解釋為存在一種未知元素，取名為氦(源于希臘文太陽之意)。此元素直到1894年才被英國化學(xué)家萊姆賽從釔鈾礦物蛻變出的氣體中發(fā)現(xiàn)，說明地球上也存在He。光的吸收 共五十二頁一 色散(ssn)現(xiàn)

7、象 不同頻率的光在同一物質(zhì)(wzh)中傳播速度不同，即物質(zhì)的折射率與光的頻率有關(guān)，而折射率取決于真空中光速與物質(zhì)中光速之比。（1672年 牛頓）光的色散共五十二頁二 色散(ssn)與經(jīng)典電磁理論 色散現(xiàn)象(xinxing)也是光和物質(zhì)相互作用的結(jié)果，可用分子電偶極子模型的受迫振動來解釋，但Maxwell理論無法解釋。根據(jù)Maxwell理論：（非鐵磁質(zhì)）與頻率無關(guān)光的色散共五十二頁 因?yàn)榇死碚撝?，沒有有關(guān)物質(zhì)特性的引入，后來洛侖茲的經(jīng)典電子論找到了電磁場頻率與 的關(guān)系，由此得到與 的關(guān)系，闡明了色散現(xiàn)象。三 色散(ssn)的特點(diǎn)棱鏡色散(ssn)（色散(ssn)光譜） 非勻排光柵色散（光柵光譜）

8、 勻排光的色散共五十二頁棱鏡(lngjng)色散：角色散率 同一物質(zhì)在不同波長區(qū)的 不同，各種物質(zhì)的色散沒有簡單的關(guān)系。研究此問題關(guān)鍵是找出各波長區(qū) 之值，或 函數(shù)。光的色散共五十二頁四 正交棱鏡(lngjng)觀察法 最清楚的顯示色散的的方法（牛頓用過） 閱P196 圖6-2五 正常色散(ssn)和反常色散(ssn) 分析色散曲線P197圖6-3 的幾個(gè)特點(diǎn) 小 大 小 大光的色散共五十二頁 不同物質(zhì) 大 大 不同物質(zhì)的色散曲線沒有簡單(jindn)的相似關(guān)系。1.正常(zhngchng)色散：波長越短，折射率越大。 反常色散：反之。例1：魯氏在1862年用充滿碘蒸氣的三棱柱形容器觀察光通過

9、它的折射，發(fā)現(xiàn)青色光比紅光折射小。例2：光通過品紅溶液，紫光偏轉(zhuǎn)比紅光小。光的色散共五十二頁2.孔脫定律：反常色散總是與光的吸收有 密切聯(lián)系 “反常(fnchng)”的含義：并不反常(fnchng)，很普遍。 “反?！鄙?ssn)和“正?！鄙?ssn)僅是歷史上的名詞沿用下來的。 任何物質(zhì)在紅外或紫外光譜中只要有選擇吸收存在，在這些區(qū)域中總表現(xiàn)出反常色散（普遍的孔脫定律）。只有當(dāng)波長在兩個(gè)吸收帶中間且遠(yuǎn)離它們時(shí)，所謂“正?！鄙⒉虐l(fā)生。光的色散共五十二頁24實(shí)驗(yàn)色散(ssn)曲線介質(zhì)(jizh)的色散曲線可見光重火石玻璃輕火石玻璃水晶冕玻璃熒石n1.701.601.501.40020010

10、00800 400600正常色散曲線光的色散共五十二頁六 色散方程1 柯西方程(fngchng)： 柯西于1836年用玻璃及透明液體在可見光區(qū)域得到一個(gè) 與 關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式 正常色散曲線說明： 式中 ：入射光在真空中的波長。 物質(zhì)常數(shù)，對每一種物質(zhì)， 均應(yīng)由實(shí)驗(yàn)測定。光的色散共五十二頁 此式在可見光區(qū)域?qū)φＩ⑾喈?dāng)(xingdng)準(zhǔn)確。大多數(shù)情況(qngkung)，取前兩次就足夠。即：色散光的色散共五十二頁2 塞耳邁爾方程(fngchng)： 塞耳邁爾于1871年，根據(jù)介質(zhì)分子具有不同固有振動頻率的假定，從理論上說明了在吸收帶附近(fjn)和遠(yuǎn)離吸收帶處的全部色散情況。說明： 式中 ：入射

11、光在真空中的波長。 ：物質(zhì)常數(shù) ：和固有頻率有關(guān)。光的色散共五十二頁不但正確表達(dá)了正常色散，也近似地表達(dá)了吸收帶附近地反常色散。但有嚴(yán)重缺點(diǎn)： （無限趨近吸收帶）在長波一邊 ，在短波一邊 ，無意義。同一介質(zhì)分子振子可能有幾種固有頻率（對應(yīng) ）光的色散共五十二頁3 亥姆霍茲方程(fngchng)（略）光的色散共五十二頁30 散射是一種普遍存在的光學(xué)現(xiàn)象。在光通過各種渾濁介質(zhì)時(shí)，有一部分光會向四方散射，沿原來的入射或折射方向傳播的光束減弱了，即使不迎著入射光束的方向，人們(rn men)也能夠清楚地看到這些介質(zhì)散射的光。這種現(xiàn)象就是光的散射。 下圖是1984年9月北京天安門廣場激光表演調(diào)試時(shí)的照片

12、。我們能看到劃破夜空，射向天空的激光，就是(jish)利用了光的散射現(xiàn)象。光的散射 共五十二頁31共五十二頁一 光的散射(snsh)現(xiàn)象 在不均勻媒質(zhì)中，從側(cè)面能看到光束軌跡，這是媒質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結(jié)果 散射現(xiàn)象。 總的： ：散射系數(shù) ：衰減系數(shù)光的散射 共五十二頁二 散射(snsh)與媒質(zhì)不均勻性的關(guān)系 均勻媒質(zhì)：受迫振動發(fā)出的相干次波，相干疊加結(jié)果(ji gu)只剩下遵從幾何光學(xué)規(guī)律的光線，沿其余方向振動完全抵消。 散射的經(jīng)典圖像 光的散射 共五十二頁不均勻媒質(zhì)：（均勻物質(zhì)中散布著n與它不同的大量其它物質(zhì)微粒或物質(zhì)本身組成部分(粒子)不規(guī)則聚集(jj)），不均勻性達(dá)到波

13、長量級，在光波作用下成為差別較大的次波源。這些次波(不)相干疊加結(jié)果，與均勻媒質(zhì)不同，除了按幾何光學(xué)規(guī)律傳播的光線外，其它方向或多或少也有光線存在 散射光。光的散射 共五十二頁若不均勻團(tuán)塊尺度 ，散射又可看成是在這些團(tuán)塊上的反射和折射。光的散射 共五十二頁按不均勻團(tuán)塊的情況(qngkung)，散射可分為兩大類：(1)懸浮質(zhì)點(diǎn)的散射：如膠體，乳狀液，含有(hn yu)煙霧、塵埃的大氣等。(2)分子散射：分子熱運(yùn)動造成密度的局部漲落引起的散射。 如：十分純凈的液體或氣體，也能產(chǎn)生較微弱的散射。 物質(zhì)處在臨界點(diǎn)時(shí)密度漲落很大，會發(fā)生強(qiáng)烈的分子散射 臨界乳光。光的散射 共五十二頁三 瑞利散射 天空為什

14、么是藍(lán)色的？ 云朵為什么是白的？（米氏散射，水滴與波長比擬） 朝（晚）霞為什么是紅的？1.瑞利散射（Rayleigh） 線度小于光波長的微粒（散射體）對光的散射現(xiàn)象 瑞利散射。光的散射 共五十二頁散射光強(qiáng) 此定律(dngl)說明，散射光中短波占優(yōu)勢，故白光的散射呈青藍(lán)色，而通過散射物的光呈紅色，這就是紅光穿過薄霧能力強(qiáng)的原因（信號燈或信號旗用紅色）紅外線則更強(qiáng)（紅外遙感）。注意此定律只適用于尺度 的小顆粒散射。2.瑞利定律(dngl)（1871年）光的散射 共五十二頁共五十二頁 假定白光中波長為 的紅光與 的藍(lán)光具有同樣的強(qiáng)度，問在散射光中兩者的比例是多少？例 解： 白光散射可看到青藍(lán)色共五十

15、二頁 1908和1909年，米(Mie)和德拜(Debye)以球形質(zhì)點(diǎn)(半徑 )為模型作了計(jì)算，只有 時(shí)，瑞利定律才成立，當(dāng) 較大時(shí)，散射強(qiáng)度幾乎與波長無關(guān)（米氏散射）。光的散射 共五十二頁四 大氣散射(snsh)自然現(xiàn)象的解釋（若無大氣，白晝天空是光輝奪目的太陽懸掛在 漆黑的背景中 宇航員是司空見慣了的）1.白晝天空是亮的 大氣散射陽光的結(jié)果。2.天空呈藍(lán)色，旭日和夕陽(xyng)呈紅色。3. 為什么點(diǎn)燃的香煙冒出的煙是淡藍(lán)的，而吸煙者口中吐出的煙卻呈白色？光的散射 共五十二頁3.白云(bi yn)云由水滴組成，其 ，瑞利定律不適用，其產(chǎn)生的散射與波長關(guān)系不大（米氏散射），故云霧呈白色 。藍(lán)

16、色人朝晚光的散射 共五十二頁 大氣散射(snsh)一部分來自懸浮的塵埃，另一部分來自密度漲落引起的分子散射(snsh)，后者尺度比前者小得多，故瑞利定律的作用更明顯。所以雨過天晴，天空總是格外藍(lán)。五 散射光的偏振(pin zhn)狀態(tài) 光源發(fā)出自然光，在垂直于入射光的方向上，散射光是線偏振光，在原入射方向上，散射光仍是自然光，沿斜方向觀察，散射光是部分偏振光。光的散射 共五十二頁45散射光的偏振(pin zhn)性共五十二頁46散射光偏振(pin zhn)性的應(yīng)用例1. 南北極探險(xiǎn)用： “太陽羅盤”（利用陽光(ynggung)散射的偏振性）辨別方向（因磁羅盤在南北極無用）例2. 蜜蜂靠天空光的

17、偏振性辨別方向（蜜蜂的眼睛中有對偏振敏感的器官）共五十二頁七 拉曼散射(snsh) 1.現(xiàn)象(xinxing) 瑞利散射不改變頻率。1928年喇曼和曼杰利什塔姆在液體和晶體散射中發(fā)現(xiàn)，散射光中除有與入射光的原頻率0相同的瑞利射線外，譜線兩側(cè)還有頻率為0 1，0 2 ，等散射線存在，這種現(xiàn)象稱為拉曼散射。（前蘇聯(lián)稱聯(lián)合散射）光的散射 共五十二頁2.實(shí)驗(yàn)(shyn) 攝譜儀 水汞弧燈側(cè)面玻璃管柱形透鏡 ：散射物質(zhì) 正面光的散射 共五十二頁3.拉曼光譜的特征(tzhng) 在每條原始入射譜線 兩旁都伴有頻率差 相等的散射譜線。在長波一側(cè)的 稱為紅伴線或斯托克斯線。在短波一側(cè)的 稱為紫伴線或反斯托克斯線。頻率差 與入射光頻率 無關(guān)。它們與散射物質(zhì)的紅外吸收頻率對應(yīng)，表證了散射物質(zhì)的分子振動頻率。光的散射 共五十二頁4.應(yīng)用(yngyng) 為研究分子結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)重要工具，用此法可容易、迅速地定出分子振動的固有頻率( yu pn l)，并判斷分子的對稱性、內(nèi)部作用力及研究相關(guān)分子動力學(xué)問題。 拉曼光譜已成為光譜學(xué)的一個(gè)重要分支，有了激光后，光強(qiáng)達(dá)到一定值，還可出現(xiàn)受激喇曼散射等非線性效應(yīng)。 （還有布里淵散射）光的散射 共五十二頁51共五十二頁內(nèi)容摘要1。這類現(xiàn)象的研究有兩方面的意義：一方面進(jìn)一步了解(li