第六章-光的吸收散射和色散課件

第6章光的吸取、散射和色散幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)探討了物的成像和光的干涉、衍射,(各向同性勻整媒質(zhì)中光的傳播);光在各向異性媒質(zhì)中的傳播，主要是光在單軸晶體內(nèi)的傳播，如雙折射現(xiàn)象，光學(xué)偏振器，波片等；共同的特點(diǎn)：光在介質(zhì)內(nèi)傳播的過程中，不存在能量的損失事實(shí)上，由于光在傳播過程中與介質(zhì)的相互作用，還會(huì)使光的特性發(fā)生某些變更。因介質(zhì)對(duì)光波的吸取,會(huì)使光強(qiáng)度減弱;不同波長(zhǎng)的光在介質(zhì)中傳播速度不同,并按不同的折射角散開，會(huì)發(fā)生光的色散;光在介質(zhì)中傳播時(shí),會(huì)產(chǎn)生散射。光的吸取、色散和散射是光在介質(zhì)中傳播所發(fā)生的普遍現(xiàn)象，它們之間是相互聯(lián)系的。一方面可以了解光與物質(zhì)的相互作用，有助于對(duì)光的本性的進(jìn)一步了解，可以得到很多有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要學(xué)問，促進(jìn)應(yīng)用光學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。本章只介紹光與介質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論，對(duì)于處理光與介質(zhì)相互作用的嚴(yán)格理論—量子理論，因超出本教材的要求,不予探討。麥克斯韋電磁理論的最重要成就之一就是將電磁現(xiàn)象與光現(xiàn)象聯(lián)系起來，利用這個(gè)理論正確地說明白光在介質(zhì)中傳播時(shí)的很多重要性質(zhì)。麥克斯韋電磁理論在說明光的傳播現(xiàn)象時(shí),對(duì)介質(zhì)的本性作了過于粗略的假設(shè),即把介質(zhì)看成是連續(xù)的結(jié)構(gòu)，在說明光的色散現(xiàn)象時(shí)遇到了困難。在此，只介紹洛侖茲提出的電子論,利用這種建立在經(jīng)典理論基礎(chǔ)上的電子論來說明光的吸取、色散和散射，雖然比較粗淺，卻能定性地說明問題。洛侖茲的電子論假定:組成介質(zhì)的原子或分子內(nèi)的帶電粒子被準(zhǔn)彈性力保持在它們的平衡位置旁邊,并且具有確定的固有振動(dòng)頻率。在入射光的作用下，介質(zhì)發(fā)生極化、帶電粒子依入射光頻率作強(qiáng)迫振動(dòng)。由于帶正電荷的原子核質(zhì)量比電子大很多倍,可視正電荷中心不動(dòng),而負(fù)電荷相對(duì)于正電荷作振動(dòng)。正,負(fù)電荷電量的確定值相同，構(gòu)成了一個(gè)電偶極子。q是電荷電量,r

是從負(fù)電荷中心指向正電荷中心的矢徑。+－電偶極矩為同時(shí),這個(gè)電偶極子將輻射次波。利用這種極化和輻射過程，可以描述光的吸取、色散和散射。6.1電偶極輻射對(duì)反射和折射現(xiàn)象的說明1．電偶極子模型光通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中的原子、離子或分子的電荷在入射光電矢量作用下做受迫振動(dòng)。

光是電磁波（E—電矢量）

分子、原子（p-電偶極子）電磁輻射受迫振動(dòng)R代表視察者離偶極子距離光通過物質(zhì)時(shí)，各分子將依次按入射光到到達(dá)該分子時(shí)的相位做受迫振動(dòng)。做受迫振動(dòng)的各分子將依次發(fā)出次級(jí)電磁波。能初步說明直線傳播、折射和反射等現(xiàn)象。為10-5cm，即=103l在勻整物質(zhì)中，分子排列特別有規(guī)律，相位做受迫振動(dòng)且發(fā)出次級(jí)電磁波。這些次級(jí)電磁波彼此間保持確定的相位關(guān)系。和惠更斯—菲涅耳原理中的次波有完全相同的性質(zhì)。

因?yàn)榉肿泳€度l為10-8cm，光的波長(zhǎng)6.2光的吸取當(dāng)光波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，由于光波和物質(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；另一種是光能減弱的消光現(xiàn)象。消光現(xiàn)象中，將光能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量，是吸取現(xiàn)象；而有部分光波沿其它方向傳播，是散射現(xiàn)象。對(duì)于沿原方向傳播的光波來說，這兩種現(xiàn)象都使光能減弱，起消光作用。光吸取是介質(zhì)的普遍性質(zhì)，除了真空，沒有一種介質(zhì)能對(duì)任何波長(zhǎng)的光波都是完全透亮的，只能是對(duì)某些波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光透亮，對(duì)另一些范圍的光不透亮。所謂透亮，并非沒有吸取，只是吸取較少。所以準(zhǔn)確地說,石英對(duì)可見光吸取很少，而對(duì)(3.5～5.0)m的紅外光有猛烈的吸取。在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)，若某種媒質(zhì)對(duì)于通過它的各種波長(zhǎng)的光波都作等量(指能量)吸取，且吸取量很小，則稱這種媒質(zhì)具有一般吸取性。光通過呈現(xiàn)一般吸取性的媒質(zhì)時(shí)，光波幾乎都能從媒質(zhì)透射，因此又可說媒質(zhì)對(duì)這一波長(zhǎng)范圍的光是透亮的。通常所說的透亮體，如玻璃、水晶，是指對(duì)白光呈現(xiàn)一般吸取性。一般吸取(nm)I(a.u.)樣品(nm)I(a.u.)從媒質(zhì)的吸取光譜中，可以得知媒質(zhì)對(duì)哪些波長(zhǎng)的光具有選擇吸取性。一般地講，固體和液體選擇吸取的波長(zhǎng)范圍較寬，稱之為吸取帶；而淡薄氣體選擇吸取的波長(zhǎng)范圍很窄，表現(xiàn)為吸取線。若媒質(zhì)吸取某種波長(zhǎng)的光能比較顯著，則稱它具有選擇吸取性。假如不把光局限于可見光范圍以內(nèi)，可以說一切物質(zhì)都具有一般吸取和選擇吸取兩種特性。選擇吸取選擇吸取性是物體呈現(xiàn)顏色的主要緣由。例如，綠色玻璃是把入射的白色光中其它顏色的光吸取掉，只剩下綠色光能夠透過去。帶色物體一般有體色和表面色區(qū)分。大多數(shù)自然物質(zhì)如顏料、花等的顏色都是由于光入射物體內(nèi)部成分不同而形成的，所以叫作體色，呈現(xiàn)體色物體的透射光和反射光的顏色是一樣的。有一些物質(zhì)，特殊是金屬，對(duì)于某種顏色光的反射率特殊強(qiáng)，于是被它們反射的光就呈現(xiàn)這種顏色，而由它們透射的光是這種顏色的互補(bǔ)色（某種顏色和它的互補(bǔ)色混合后是白色）。例如，被金黃薄膜反射的光呈現(xiàn)黃色，由它們透射的光則是綠色。這類物體的顏色是由于物體表面的選擇反射而形成的，所以叫表面色。被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，而啤酒本身卻是深黃色。光譜中的每一種顏色都是純色。實(shí)際生活中，有很多顏色在光譜中并不存在。例如，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，可發(fā)覺這種溶液能完全吸取光譜中的各色光，而能透射光譜兩端的紅色光和紫色光。事實(shí)上，純色是很少看到的，絕大多數(shù)物體的顏色通常是混合色。各色光的混合與不同顏色的漆和顏料混合后顯示的顏色是不同的。黃色光和它的互補(bǔ)色——藍(lán)色光混合后得到的是白色光。黃色顏料和藍(lán)色顏料混合時(shí)，卻要顯示綠色。藍(lán)色顏料能夠全部吸取紅、黃各色光，反射藍(lán)、綠各色光。而黃色顏料能夠全部吸取藍(lán)、紫各色光，反射紅、黃、綠各色光。因而這兩種顏料混合起來只能反射綠色光，故顯示綠色。透亮物體的顏色透亮物體的顏色是由它透過的色光確定的。紅玻璃只透過紅光紅紙只反射紅光藍(lán)玻璃只透過藍(lán)光綠紙只反射綠光不透亮物體的顏色不透亮物體的顏色是由它反射的色光確定的色光的混合色光的三基色：紅、綠、藍(lán)。電視、電影都是依據(jù)色光三基色所制成。紅+綠=黃紅+藍(lán)=品紅綠+藍(lán)=青（靛）紅+綠+藍(lán)=白繪畫時(shí)用三原色就可調(diào)出大部分色調(diào)。1、顏料三原色紅、黃、藍(lán)顏料的混合紅+藍(lán)=紫色黃+紅=橙黃+藍(lán)=綠紅+黃+藍(lán)=黑色光－紅、綠、藍(lán)

顏料－紅、黃、藍(lán)色光的三原色與顏料的三原色不同色光的混合與顏料的混合規(guī)律也不同吸取定律1729年，依據(jù)試驗(yàn)建立一個(gè)吸取定律，后來，J.H.Lambern（1760）又作了理論上的證明。如圖所示，設(shè)光強(qiáng)為的平行光束進(jìn)入均勻物質(zhì)中一段距離后，強(qiáng)度已漸弱到，再通過一無限薄層時(shí)強(qiáng)度又增加了（）。朗伯(J.H.Lambert)假設(shè)：光在同一吸收物質(zhì)內(nèi)通過同一距離后，光能量中將有同樣百分比的能量被該層物質(zhì)所吸收。或也叫作吸取物質(zhì)的吸取率，它表明吸取物質(zhì)的單位厚度所吸取的入射光強(qiáng)的分?jǐn)?shù)。負(fù)號(hào)表明通過吸取層后，是減弱的。將上式積分，并考慮到在均勻媒介中是常數(shù)，可得可定義為吸收系數(shù)當(dāng)光通過稀溶液時(shí)，光被溶解在透亮溶劑中的物質(zhì)的吸取量與溶液內(nèi)單位長(zhǎng)度光程上的吸取分子數(shù)目成正比。因?yàn)閱挝婚L(zhǎng)度上吸取分子的數(shù)目與溶液的濃度C成正比，所以吸取率

也就與濃度C成正比，即它表明光的強(qiáng)度隨按負(fù)指數(shù)減弱。物質(zhì)的吸收率取決于該物質(zhì)的性質(zhì)，并與波長(zhǎng)有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)度及物質(zhì)的厚度無關(guān)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)光的強(qiáng)度變化了1020倍時(shí)，此式仍是適用的。朗伯定律試驗(yàn)表明代入上式，吸取定律可寫成A.Beer定律式中

也是一個(gè)系數(shù)，它的數(shù)值僅僅取決于吸收媒質(zhì)分子的特征，而與溶液的濃度無關(guān)。

但需指出，只有當(dāng)溶液里的分子特性不因它的鄰近分子的存在而發(fā)生變更時(shí)，Beer定律才能適用，并可用以測(cè)量溶液的濃度。在很濃的溶液里，分子間相互作用的影響頗強(qiáng)，Beer定律不再適用，但朗伯吸取定律仍舊適用。在非線性光學(xué)領(lǐng)域里，吸取系數(shù)依靠于光的強(qiáng)度，朗伯定律不再成立。當(dāng)白光射到紅玻璃上時(shí)，只有紅光能夠透過，我們看到它呈紅色。假如紅玻璃用綠光照射，玻璃看起來將是黑色。例如，在可見光范圍內(nèi)，一般的光學(xué)玻璃吸取都較小，且不隨波長(zhǎng)變更，屬一般性吸取，而有色玻璃則具有選擇性吸取。一般光學(xué)材料在可見光區(qū)都是相當(dāng)透亮的，它們對(duì)各種波長(zhǎng)的可見光都吸取很少。但是在紫外和紅外光區(qū),它們則表現(xiàn)出不同的選擇性吸取。在制造光學(xué)儀器時(shí),必需考慮光學(xué)材料的吸取特性。例如，紫外光譜儀中的棱鏡、透鏡需用石英制作,而紅外光譜儀中的棱鏡、透鏡則需用螢石等晶體制作。幾種光學(xué)材料的透光波段吸收率

數(shù)值的大小，可用以說明光波通過物質(zhì)時(shí)光強(qiáng)損失的多少。所損失的光強(qiáng)會(huì)轉(zhuǎn)變成物質(zhì)中的分子的熱運(yùn)動(dòng)。此外，當(dāng)光波通過物質(zhì)時(shí)所發(fā)生的向四方散射現(xiàn)象，也會(huì)使光波沿人射方向損失部分光強(qiáng)。可見

應(yīng)反映兩種因素——吸收和散射——的作用。在大多數(shù)情況下，這兩種因素中的一個(gè)往住比另一個(gè)小很多，可忽略不計(jì)。但我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，這兩種因素的作用是同時(shí)存在的，而且這兩種作用有時(shí)還是同等重要的。由于吸收和散射都起消光作用，因此在普遍情況下，可寫出消光定律這里和分別是吸收率和散射率。

放射光譜和吸取光譜1.光譜形式放射光譜:物質(zhì)在高溫下放射光的光譜淡薄原子氣體——線狀譜吸取光譜：入射光連續(xù)譜背景上出現(xiàn)一條條暗線或者暗帶分子氣體，液，固——帶狀譜吸取光譜中的暗線（帶）一一對(duì)應(yīng)放射光譜中的亮線（帶）某材料在較低溫下吸取某波長(zhǎng)的光，它在高溫下也輻射該波長(zhǎng)的光放射光譜,吸取光譜及其對(duì)應(yīng)關(guān)系(a)白光的連續(xù)光譜;(b)高溫氣體放射的線狀譜;(c)白光連續(xù)光譜背景下低溫氣體的吸取譜.(a)(b)(c)吸取光譜介質(zhì)的吸取系數(shù)及隨光波長(zhǎng)的變更關(guān)系曲線稱為該介質(zhì)的吸取光譜。光源吸收物質(zhì)分光儀使一束連續(xù)光譜的光通過有選擇性吸取的介質(zhì)，再通過分光儀，即可測(cè)出在某些波段上或某些波長(zhǎng)上的光被吸取，形成吸取光譜。氣體吸取光譜的特點(diǎn)是：吸取光譜是清晰、狹窄的吸取線,吸取線的位置正好是該氣體放射光譜線的位置。598.59588.99330.29330.23285.30285.28/nm對(duì)于單原子氣體,這種狹窄吸取線的特點(diǎn)更為明顯.例如氦、氖等惰性氣體及鈉等堿金屬蒸氣的吸取光譜。氣體吸取的另一個(gè)主要特點(diǎn)是吸取和氣體的壓力、溫度、密度有關(guān)，一般是氣體密度愈大，它對(duì)光的吸取愈嚴(yán)峻。由于這種吸取帶特征確定于組成氣體的分子，它反映了分子的特性，所以可由吸取光譜探討氣體分子的結(jié)構(gòu)。對(duì)于固體和液體，它們對(duì)光吸取的特點(diǎn)主要是具有很寬的吸取帶。固體材料的吸取系數(shù)主要是隨入射光波長(zhǎng)變更，其它因素的影響較小。激光工作物質(zhì)YAG的吸取光譜/nm1.000.660.500.400.330.280.25對(duì)一種材料吸取光譜的測(cè)量，是了解該材料特性的重要手段。例如,地球大氣對(duì)可見光、紫外光是透亮的,但對(duì)紅外光的某些波段有吸取。透亮的波段稱為“大氣窗口”,充分地探討大氣的光學(xué)性質(zhì)與“窗口”的關(guān)系,有助于紅外導(dǎo)航、跟蹤等工作的進(jìn)行。ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧ0204060801000.720.941.131.381.902.74.36.015.0/m透過率/%如圖所示，波段從1m到15m有七個(gè)“窗口”。地球四周是厚達(dá)約1000公里的大氣層。大氣層由氮、氧、二氧化碳、臭氧及其它稀有氣體和水氣、塵埃組成。較強(qiáng)的水汽吸取帶位于:0.71~0.735m,0.81~0.84m,0.89~0.99m,1.07~1.20m,1.3~1.5m,1.7~2.0m,2.4~3.3m,4.8~8.0m。二氧化碳吸取帶位于:13.5~17m。

臭氧吸取帶位于:9.5m旁邊。由于太陽(yáng)四周大氣中的不同元素吸取不同波長(zhǎng)的輻射,因而在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)出一條條黑的吸取線,如圖所示。夫朗和費(fèi)首先發(fā)覺,并以字母標(biāo)記了主要的吸取線。它們的波長(zhǎng)及太陽(yáng)大氣中存在的相應(yīng)吸取元素的關(guān)系如下：光的散射光束通過不勻整介質(zhì)所產(chǎn)生的偏離原來傳播方向,向四周散射的現(xiàn)象，叫光的散射。散射和吸?。河捎诠獾纳⑸涫菍⒐饽苌⑸涞狡渌较蛏?，而光的吸取則是將光能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量，所以從本質(zhì)上說二者不同。但是在實(shí)際測(cè)量時(shí)，很難區(qū)分開它們對(duì)透射光強(qiáng)的影響。因此，在實(shí)際工作上通常都將這兩個(gè)因素的影響考慮在一起。這里和分別是吸收率和散射率。

光通過介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)中原子（分子）或雜質(zhì)粒子可看作次波源散射出次波.對(duì)完全勻整介質(zhì)，除原方向光干涉相長(zhǎng)，其他方向的光干涉相消，無散射.對(duì)非勻整介質(zhì)，各次波源振幅、相位無規(guī)則變更，除原光方向外，其他方向亦有光，即發(fā)生散射.散射、衍射和反射一、非勻整介質(zhì)中散射的經(jīng)典圖象光學(xué)性質(zhì)的不勻整可能是因?yàn)樵趧蛘劫|(zhì)中存在折射率與它不同的雜質(zhì)微粒，即混濁媒介，如含有塵埃的空氣，散布著微小水滴的空氣——霧，懸浮液，乳狀液等。這些雜志微粒作為次波源，其本身的線度比光的波長(zhǎng)小，各個(gè)粒子之間的間隔都比光波波長(zhǎng)大得多，而且它們都是漫無規(guī)律地隨機(jī)分布的，所以各次波之間沒有固定的位相關(guān)系，這些次波的疊加是非相干疊加，不會(huì)出現(xiàn)干涉相消的現(xiàn)象，因而出現(xiàn)向各個(gè)方向傳播的散射光。二、散射與反射、漫射和衍射現(xiàn)象的區(qū)分（1）散射與直射、反射和折射的區(qū)分由于“次波”放射中心的排列不同，散射時(shí)是無規(guī)則的，而在直射、反射和折射時(shí)是有規(guī)則的，且物體的線度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)。（留意：所謂規(guī)則是相對(duì)光的波長(zhǎng)而言）（2）散射與光的漫反射的區(qū)分實(shí)際的鏡面都不是志向的鏡面，因而會(huì)產(chǎn)生光的漫反射。這時(shí)，可認(rèn)為反射光束是很多小鏡面的反射光的疊加。每一小鏡面上不規(guī)則的凹凸部分的線度比光的波長(zhǎng)小，因而衍射現(xiàn)象可以忽視不計(jì)，但每一小鏡面的線度則遠(yuǎn)大于光的波長(zhǎng)，因此光從這些“鏡面”反射時(shí)仍舊可以認(rèn)為遵從反射定律，只是這些小“鏡面”的法線方向是雜亂無章的。盡管如此，由于各次波中心的排列仍有某些不同的方向性，從側(cè)面看，有些地方看不見光，所以漫反射和散射是不同的。衍射是有個(gè)別的不勻整區(qū)域造成的，這些不勻整區(qū)域的大小一般可與光的波長(zhǎng)相比擬；而散射則是由于大量排列不規(guī)則的非勻整的小“區(qū)域”的集合造成的，這些非勻整小“區(qū)域”的線度一般比波長(zhǎng)小。對(duì)每一個(gè)這種小“區(qū)域”，雖也有衍射發(fā)生，但由于不規(guī)則的排列而相互發(fā)生不相干的疊加，所以就整體而言，視察不到衍射現(xiàn)象。（3）散射與衍射的區(qū)分依據(jù)散射光的波矢K和波長(zhǎng)的變更與否，將散射分為兩大類：一類散射是散射光波矢K變更，但波長(zhǎng)不變更(瑞利散射，米氏散射和分子散射)；另一類是散射光波矢K和波長(zhǎng)均變更(喇曼散射，布里淵散射等)。光散射的分類

瑞利散射有些光學(xué)不勻整性特別顯著的介質(zhì)能夠產(chǎn)生猛烈的散射現(xiàn)象，這類介質(zhì)一般稱為“渾濁介質(zhì)”。亭達(dá)爾等人最早對(duì)渾濁介質(zhì)的散射進(jìn)行了大量的試驗(yàn)探討,尤其是微粒線度比光波長(zhǎng)小,即不大于(1/5～1/l0)的渾濁介質(zhì)。亭達(dá)爾從試驗(yàn)上總結(jié)出了一些規(guī)律，因此，這一類現(xiàn)象叫亭達(dá)爾效應(yīng)。這些規(guī)律其后為瑞利在理論上說明，所以又叫瑞利散射。瑞利散射的主要特點(diǎn)：①散射光強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)的四次方成反比，即I()為相應(yīng)于某一視察方向(與入射光方向成角)的散射光強(qiáng)度。該式說明，光波長(zhǎng)愈短，其散射光強(qiáng)度愈大，由此可以說明很多自然現(xiàn)象。天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色呢?由瑞利散射定律可以看出在由大氣散射的太陽(yáng)光中，短波長(zhǎng)光占優(yōu)勢(shì)。紅光波長(zhǎng)(＝720nm)為紫光波長(zhǎng)(＝400nm)的1.8倍,因此紫光散射強(qiáng)度約為紅光的(1.8)4≈10倍。太陽(yáng)散射光在大氣層內(nèi)層,藍(lán)色的成分比紅色多,使天空呈蔚藍(lán)色。為何正午的太陽(yáng)基本上呈白色,而旭日和夕陽(yáng)卻呈紅色?正午的太陽(yáng)地球大氣層散射正午太陽(yáng)直射,穿過大氣層厚度最小,陽(yáng)光中被散射掉的短波成分不太多,因此基本上呈白色或略帶黃橙色。早晚的陽(yáng)光斜射,穿過大氣層的厚度比正午時(shí)厚得多,大氣散射掉的短波成分,透過長(zhǎng)波成分，所以旭日和夕陽(yáng)呈紅色。紅光透過散射物的穿透力比藍(lán)光強(qiáng)，所以在拍攝薄霧景色時(shí)，可在照相機(jī)物鏡前加上紅色濾光片以獲得更清晰的照片。紅外線穿透力比可見光強(qiáng)，常被用于遠(yuǎn)距離照相或遙感技術(shù)。②散射光強(qiáng)度隨視察方向變更。自然光入射時(shí)，散射光強(qiáng)I()與(1+cos2)成正比。入射光方向觀察方向③散射光是偏振光（完全偏振光或部分偏振光），該偏振光的偏振度與視察方向有關(guān)。瑞利散射光的光強(qiáng)度角分布和偏振特性起因于散射光是橫電磁波。自然光沿x方向入射到介質(zhì)的帶電微粒e上，使其作受迫振動(dòng)。xzyPe圖中的入射光可分解為沿y方向和z方向的兩個(gè)光振動(dòng)，其振幅相等，Ay＝Az＝A0。xzyPe假設(shè)考察位于xey面內(nèi)的P點(diǎn)，散射光方向eP與入射光方向成角，則其兩個(gè)光振動(dòng)重量的振幅分別為Az＝Az＝A0和Ay＝Aycos＝A0cos。xzyPexyPAyAy散射光強(qiáng)度I()為入射光方向觀察方向由于散射光兩個(gè)振動(dòng)重量的大小與散射方向有關(guān),所以散射光的偏振態(tài)隨散射方向不同而異。沿著入射光方向或逆著入射光方向，散射光為自然光；在垂直入射光方向的y軸和z軸上，散射光為線偏振光；其余方向上的散射光，均為部分偏振光。米氏散射當(dāng)散射粒子的尺寸接近或大于波長(zhǎng)時(shí),其散射規(guī)律與瑞利散射不同。米氏提出了懸浮微粒線度可與入射光波長(zhǎng)相比擬時(shí)的散射理論，稱為米氏散射。米氏散射的主要特點(diǎn)是：①散射光強(qiáng)與偏振特性隨散射粒子的尺寸變更。②散射光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變更規(guī)律是與波長(zhǎng)的較低冪次成反比，即n＝1，2，3。N的具體取值取決于微粒尺寸。③散射光的偏振度隨r/的增加而減小,這里r是散射粒子的線度，是入射光波長(zhǎng)。④隨著懸浮微粒線度的增大，沿入射光方向的散射光強(qiáng)將大于逆入射光方向的散射光強(qiáng)。米氏散射(Miescattering)當(dāng)微粒線度約為1/4波長(zhǎng)時(shí),散射光強(qiáng)角分布如圖所示,此時(shí)I()在=0

和=

處的差別尚不很明顯。z當(dāng)微粒線度接著增加時(shí),在＝0方向的散射光強(qiáng)明顯占優(yōu)勢(shì)，并產(chǎn)生一系列次極大值。z米氏散射(Miescattering)小水滴在可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生的散射屬于米氏散射,其散射光強(qiáng)與光波長(zhǎng)關(guān)系不大,所以云霧呈現(xiàn)白色。米氏散射(Miescattering)

分子散射(Molecularscattering)光在渾濁介質(zhì)中產(chǎn)生瑞利散射和米氏散射之外，純凈介質(zhì)中也產(chǎn)生散射。這就是在純凈介質(zhì)中，因分子熱運(yùn)動(dòng)引起密度起伏引起介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的非勻整所產(chǎn)生光的散射,稱為分子散射。在臨界點(diǎn)時(shí)，氣體密度起伏很大，可以視察到明顯的分子散射，這種現(xiàn)象稱為臨界乳光。由于分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的密度起伏所引起折射率不勻整區(qū)域的線度比可見光波長(zhǎng)小很多，所以分子散射中，散射光強(qiáng)與散射角的關(guān)系與瑞利散射相同。

分子散射(Molecularscattering)光的色散彩虹是太陽(yáng)光傳播中被空氣中的水滴色散而產(chǎn)生的。光進(jìn)入媒質(zhì)后，光的傳播速度要發(fā)生變更，因而光在兩種媒質(zhì)的界面處要發(fā)生折射。試驗(yàn)還表明，不同波長(zhǎng)的光在同一媒介中的波速也是不同的，或者說折射率是波長(zhǎng)的函數(shù)，即，因而各色光在折射時(shí)將折向不同的方向，這是色散現(xiàn)象。白色光入射棱鏡時(shí)，就能看到色散現(xiàn)象。n=n(λ)視察色散現(xiàn)象的最簡(jiǎn)潔方法是利用棱鏡的折射。一種物質(zhì)的全部色散曲線反常色散曲線：吸取區(qū)域內(nèi)的色散曲線正常色散曲線：可見光區(qū)域旁邊色散曲線伍德試驗(yàn)正交棱鏡視察法可見光區(qū)域旁邊色散曲線及其特點(diǎn)柯西公式色散曲線通過狹縫M的白光經(jīng)透鏡L1后，成為平行光，該平行光經(jīng)P1、P2及L2,會(huì)聚于屏N上。ML1L2P1P2Naba1b1光的色散假如沒有棱鏡P2，由于P1棱鏡的色散所引起的分光作用，在光屏上將得到水平方向的連續(xù)光譜ab。光的色散ML1L2P1Nab假如放置棱鏡P2，則由P2的分光作用,使得通過P1的每一條譜線部向下移動(dòng)。紅紫紅紫光的色散ML1L2P1P2Naba1b1使紅光一端a1下移最小，紫光一端b1下移最大，結(jié)果整個(gè)光譜a1b1仍為始終線，但已與ab成傾斜角。紅紫紅紫光的色散

色散率色散率v的定義為：波長(zhǎng)差為1個(gè)單位的兩種光折射率差，即色散率v是用來表征介質(zhì)色散程度，即量度介質(zhì)折射率隨波長(zhǎng)變更快慢的物理量。色散率n隨波長(zhǎng)的變更很慢,可以用(21)式表示。對(duì)于n變更較快的區(qū)域，色散率定義為選用光學(xué)材料時(shí),應(yīng)特殊留意其色散率的大小。幾種常用的光學(xué)材料的折射率和色散率下圖給出了色散曲線n~的變更形式。色散率1．正常色散折射率隨著波長(zhǎng)增加而減小的色散叫正常色散。遠(yuǎn)離固有頻率0的區(qū)域?yàn)檎Ｉ^(qū)。1．正常色散全部不帶顏色的透亮介質(zhì)，在可見光區(qū)域內(nèi)都表現(xiàn)為正常色散。①波長(zhǎng)愈短，折射率愈大；②波長(zhǎng)愈短，折射率隨波長(zhǎng)的變更率愈大；③波長(zhǎng)確定時(shí),折射率愈大的材料,其色散率也愈大。這些色散曲線的特點(diǎn)是：1．正常色散A、B和C是由所探討的介質(zhì)特性確定的常數(shù)。這些常數(shù)值可由手冊(cè)查到。對(duì)于正常色散的閱歷公式是1836年由科希提出來的：1．正常色散當(dāng)波長(zhǎng)間隔不太大時(shí)，可只取(23)式的前兩項(xiàng)：1．正常色散依據(jù)色散率定義可得由于A、B都為正值，所以當(dāng)增加時(shí)，折射率n和色散率v都減小。2．反常色散1862年,勒魯用充溢碘蒸氣的三棱鏡視察到了紫光的折射率比紅光的折射率小,勒魯稱它為反常色散。紅紫紫紅MN2．反常色散孔脫發(fā)覺反常色散與介質(zhì)對(duì)光的選擇吸取有親密聯(lián)系,是介質(zhì)的一種普遍現(xiàn)象。在固有頻率0旁邊的區(qū)域，光的吸取區(qū)是反常色散區(qū)。2．反常色散假如把色散曲線的測(cè)量向光吸取區(qū)延長(zhǎng)，就會(huì)視察到這種“反?！鄙?。2．反常色散在石英色散曲線測(cè)量中，在可見光區(qū)域內(nèi),測(cè)得曲線PQR，其結(jié)果與由科希公式計(jì)算的結(jié)果一樣。2．反常色散圖中藍(lán)線是測(cè)量結(jié)果，紅線是計(jì)算結(jié)果。在吸取區(qū)，由于光無法通過，n值也就測(cè)不出來了。2．反常色散當(dāng)入射光波長(zhǎng)越過吸取區(qū)后，光又可通過石英介質(zhì)，這時(shí)折射率數(shù)值很大,且隨著波長(zhǎng)的增加急劇下降。2．反常色散在遠(yuǎn)離吸取區(qū)時(shí)，n值變更減慢，這時(shí)又進(jìn)入了另一個(gè)正常色散區(qū)?？葡９接诌m用了，不過其常數(shù)A、B值要相應(yīng)地變更。2．反常色散電子論既能說明正常色散,又能說明反常色散,而且還說明白反常色散的起因就是介質(zhì)的吸取。在一個(gè)較大的波段范圍內(nèi)都不只有一個(gè)吸取帶，而是有幾個(gè)吸取帶，這一點(diǎn)已由它的吸取光譜所證明。2．反常色散從電子論的觀點(diǎn)看，用電荷與質(zhì)量分別為ej和mj的不