光與物質(zhì)的相互作用課件

光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用

1900年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射經(jīng)驗(yàn)公式。在理論上導(dǎo)出這個(gè)公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個(gè)最小能量的整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量單位稱(chēng)為“能量子”。普朗克的假設(shè)解決了黑體輻射的理論困難。普朗克還進(jìn)一步提出了能量子與頻率成正比的觀點(diǎn)，并引入了普朗克常數(shù)h。量子理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論和實(shí)驗(yàn)的不可缺少的基本理論。普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)金。普朗克是德國(guó)物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者和奠基人，被尊稱(chēng)為“量子之父”1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金的獲得者。他的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論，這是物理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。1900年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射經(jīng)驗(yàn)公式。在理論上導(dǎo)出這個(gè)公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個(gè)最小能量的整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量單位稱(chēng)為“能量子”。2021/2/42

1900年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射經(jīng)驗(yàn)公式。在理論上導(dǎo)出這個(gè)公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個(gè)最小能量的整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量單位稱(chēng)為“能量子”。普朗克的假設(shè)解決了黑體輻射的理論困難。普朗克還進(jìn)一步提出了能量子與頻率成正比的觀點(diǎn)，并引入了普朗克常數(shù)h。量子理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論和實(shí)驗(yàn)的不可缺少的基本理論。普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)金。

普朗克是德國(guó)物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者和奠基人，被尊稱(chēng)為

“量子之父”

1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金的獲得者。他的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論，這是物理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。1900年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射經(jīng)驗(yàn)公式。在理論上導(dǎo)出這個(gè)公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個(gè)最小能量的整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量單位稱(chēng)為“能量子”。2021/2/42§10.1光的波粒二象性一、普朗克量子假設(shè)

=h

構(gòu)成物體的分子、原子可視為在各自平衡位置附近振動(dòng)的帶電線性諧振子，這些振子既可以發(fā)射輻射能，也可以吸收輻射能。

諧振子發(fā)射和吸收輻射能量是某些分立狀態(tài)，是最小能量單位

h的整數(shù)倍，即發(fā)射或吸收電磁輻射只能以量子方式進(jìn)行，每個(gè)能量子能量為其中h

是普朗克常量，

為諧振子的振動(dòng)頻率。2021/2/43討論：

一個(gè)頻率為

的諧振子的最小能量是h

，它與周?chē)妮椛鋱?chǎng)交換能量時(shí)，也只能整個(gè)地吸收或放出一個(gè)能量子。“量子”的概念量子（化）：微觀世界的一個(gè)特殊概念，按某種規(guī)律取分立值的物理量。如：電荷量子（化）能量量子（化）2021/2/44普朗克公式：普朗克的量子假設(shè)：

能量不連續(xù)的概念與經(jīng)典物理學(xué)是完全不相容的！普朗克公式：能量經(jīng)典光量子突破了經(jīng)典物理學(xué)的能量連續(xù)的觀念，在物理學(xué)史上第一次提出了微觀粒子能量量子化的概念，這對(duì)量子物理學(xué)的誕生起了極大的推動(dòng)作用。

2021/2/45例：設(shè)有一音叉，其尖端的質(zhì)量為0.050kg，其頻率被調(diào)到480Hz，振幅1.0mm。試求音叉尖端振動(dòng)的量子數(shù)。解：由諧振子的能量公式知，諧振子的能量為

代入已知條件：根據(jù)普朗克量子假設(shè)：，音叉尖端的振動(dòng)量子數(shù)為討論：宏觀物體振動(dòng)的量子數(shù)是非常大的，與很小的能量子相比，宏觀物體的能量可以認(rèn)為是連續(xù)分布的。

2021/2/46二、愛(ài)因斯坦光量子學(xué)說(shuō)光電效應(yīng)當(dāng)光照到某些金屬的表面時(shí)，金屬內(nèi)部的自由電子會(huì)逸出金屬表面，這種光致電子發(fā)射現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。（1887年德國(guó)物理學(xué)家赫茲首先發(fā)現(xiàn)光電發(fā)射現(xiàn)象，1888年又被俄國(guó)物理學(xué)家斯托列托夫用實(shí)驗(yàn)證明。）

實(shí)驗(yàn)裝置：光通過(guò)石英窗口照射陰極K，光電子從陰極表面逸出。光電子在電場(chǎng)加速下向陽(yáng)極A運(yùn)動(dòng)，形成光電流。2021/2/47I1I2I3UaUiI1>I2>I3Ua0遏止電壓與頻率關(guān)系曲線試驗(yàn)規(guī)律：遏止電勢(shì)差：與入射光頻率具有線性關(guān)系。截止頻率：對(duì)某一種金屬只有當(dāng)入射光頻率大于某一頻率時(shí)，電子才能從金屬表面逸出（紅限）。和成線性關(guān)系遏止電壓與頻率關(guān)系曲線光電效應(yīng)瞬時(shí)性：遲滯時(shí)間不超過(guò)10-9

秒2021/2/48經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾：無(wú)論何種頻率的光，只要其強(qiáng)度足夠大，電子就能獲得足夠的能量，從金屬表面逸出；

電子的動(dòng)能取決于光的動(dòng)能，而與頻率無(wú)關(guān)；

在光強(qiáng)很小時(shí)，即使光的頻率大于截止頻率，也不應(yīng)有電子發(fā)射。愛(ài)因斯坦光量子學(xué)說(shuō)（1905年）：光束可以看成由微粒（光子）構(gòu)成的粒子流（光量子），在真空中以運(yùn)動(dòng)，頻率為的光子能量為。2021/2/49愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程：

式中為逸出功，為電子從表面上逸出時(shí)初動(dòng)能。討論：光頻率>A/h

時(shí)，電子吸收一個(gè)光子即可克服逸出功A

逸出光電子最大初動(dòng)能和光頻率

成線性關(guān)系。

單位時(shí)間到達(dá)單位垂直面積的光子數(shù)為N，則光強(qiáng)I=Nh

。

I越強(qiáng),到陰極的光子越多,則逸出的光電子越多。電子吸收一個(gè)光子即可逸出，不需要長(zhǎng)時(shí)間的能量積累。2021/2/410三、光的波粒二象性

光具有波動(dòng)性和粒子性?xún)蓚€(gè)側(cè)面，是微觀粒子的基本屬性，在某些情況下突出顯示某一個(gè)側(cè)面。作為粒子：有和能量由相對(duì)論知對(duì)于光，則有或作為波：兩者關(guān)系為：2021/2/411光子的波動(dòng)性和粒子性是光子本性在不同條件下表現(xiàn)出來(lái)的兩個(gè)側(cè)面：波動(dòng)性突出呈現(xiàn)在其傳播過(guò)程中，粒子性突出呈現(xiàn)在其與物質(zhì)的相互作用中。光的波動(dòng)性和粒子性隨頻率范圍的不同而有不同的表現(xiàn)：在低頻或長(zhǎng)波區(qū)，光的波動(dòng)性比較顯著；而在高頻或短波區(qū)，粒子性卻比較突出。要對(duì)波粒二象性進(jìn)行完善描述，必須采用量子力學(xué)方法（波函數(shù)）。普朗克常量把光的波動(dòng)性和粒子性聯(lián)系起來(lái)了。2021/2/412例：計(jì)算波長(zhǎng)為600nm的紅光與波長(zhǎng)為0.1nm的X光的光子能量。解：紅光光子能量為：X光光子能量為

2021/2/413§10.2光的發(fā)射激光原理一、發(fā)光的物理機(jī)制

發(fā)射光譜光源

發(fā)射光波的物體。如太陽(yáng)、蠟燭等。光源發(fā)出的光是其中大量的分子或原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)所輻射出的電磁波。

發(fā)光的物理機(jī)理電子沿著一個(gè)個(gè)分立的軌道繞核旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電子在確定的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子具有確定的能量。電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道，原子或分子就從一個(gè)能態(tài)躍變到另一能態(tài)，同時(shí)伴隨著能量的變化。電子在不同軌道之間躍變，原子向外釋放或吸收能量。2021/2/414E賴(lài)曼系巴耳末系帕邢系布拉開(kāi)系n=1n=2n=3n=4n=5n=6n=1n=3n=2n=原子的不同能態(tài)用一個(gè)個(gè)分立的能級(jí)表示

2021/2/415原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，會(huì)發(fā)射或吸收一個(gè)光子，頻率輻射頻率公式波列長(zhǎng)

L=c每一個(gè)輻射光子稱(chēng)作一個(gè)波列每個(gè)波列持續(xù)時(shí)間約10-8s原子或分子的發(fā)光過(guò)程是彼此獨(dú)立的、隨機(jī)的光源發(fā)出的連續(xù)光波實(shí)際上是大量原子或分子發(fā)光的總效果。

相互獨(dú)立的波列2021/2/416..非相干（同一原子先后發(fā)出的光）非相干（不同原子發(fā)出的光）注：發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜鐵和其他元素的原子發(fā)射光譜圖（上為鐵譜，下為其他元素光譜）

2021/2/417原子的發(fā)射光譜是線狀光譜

每種原子有其獨(dú)特的發(fā)射光譜——識(shí)別不同原子的標(biāo)志

分子發(fā)射光譜若干光譜帶組成的帶狀光譜分子光譜分子能級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜分子的能量能級(jí)間隔滿足

分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷發(fā)出遠(yuǎn)紅外輻射；振動(dòng)能級(jí)間的躍遷發(fā)出中紅外輻射；而電子能級(jí)間的躍遷發(fā)出可見(jiàn)光和紫外輻射。2021/2/418二、發(fā)光過(guò)程的類(lèi)型按照激發(fā)方式分類(lèi)熱輻射太陽(yáng)、白熾燈等電致發(fā)光

閃電、霓虹燈以及半導(dǎo)體、PN結(jié)的發(fā)光過(guò)程等光致發(fā)光

日光燈、熒光、磷光等化學(xué)發(fā)光

燃燒發(fā)光、生物發(fā)光等白天和夜晚分別拍攝的發(fā)光真菌2021/2/419按照輻射方式分類(lèi)E2E1自發(fā)輻射自發(fā)輻射所發(fā)出的光沒(méi)有相干性能級(jí)的平均壽命（）原子在某一能級(jí)停留的平均時(shí)間

處于高能級(jí)的原子中，在單位時(shí)間內(nèi)從高能級(jí)E2自發(fā)躍遷到低能級(jí)E1的原子數(shù)比率A21，稱(chēng)為原子自發(fā)躍遷的概率，它與高能級(jí)E2的平均壽命τ之間存在如下關(guān)系

2021/2/420受激輻射受激吸收E2E1受激輻射E2E1這兩個(gè)光子再引起其它原子產(chǎn)生受激輻射，就會(huì)得到更多的相同特征的光子，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為光放大光放大。普通光源激光光源區(qū)別2021/2/421三、激光原理

受激輻射光放大簡(jiǎn)稱(chēng)為激光。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在溫度為T(mén)的平衡態(tài)下，原子中的電子處于高、低兩個(gè)能級(jí)上的數(shù)目之比為討論正常分布：N1>>N2。光吸收比光輻射占優(yōu)勢(shì)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：N2>>N1。光通過(guò)物質(zhì)得到光放大。2021/2/422粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須具備的條件：

能量的供應(yīng)過(guò)程激勵(lì)（光泵浦）工作物質(zhì)內(nèi)必須存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)不如基態(tài)穩(wěn)定，但比激發(fā)態(tài)穩(wěn)定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有亞穩(wěn)態(tài)，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。亞穩(wěn)態(tài)E2基態(tài)E1激發(fā)態(tài)E3三能級(jí)系統(tǒng)示意圖E1與E2之間產(chǎn)生以受激輻射為主的躍遷激勵(lì)無(wú)輻射躍遷2021/2/423光學(xué)諧振腔使某一方向、某一頻率的輻射不斷得到加強(qiáng)，其它方向、其它頻率的輻射受到抑制的裝置全反射鏡M1部分反射鏡M2激光工作物質(zhì)作用選擇激光的方向選擇激光的頻率激勵(lì)能源2021/2/424He-Ne激光器的工作原理激光器的基本構(gòu)成及激光的形成具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)、激勵(lì)系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔光束在諧振腔內(nèi)來(lái)回震蕩，在工作物質(zhì)中的傳播使光得以放大，并輸出激光。反射鏡反射鏡陽(yáng)極陰極布儒斯特窗毛細(xì)管工作物質(zhì)：氦氣輔助物質(zhì)：氖氣激勵(lì)方式：直流氣體放電2021/2/425He-Ne激光器中Ne氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實(shí)現(xiàn)

電子碰撞He21s23s碰撞亞穩(wěn)態(tài)Ne3s2s3p2p1150nm632.8nm3390nm電子經(jīng)電場(chǎng)加速后，與He

碰撞。處于激發(fā)態(tài)的He

與Ne

碰撞，把能量傳遞給Ne，使它在亞穩(wěn)態(tài)（3s、2s）和激發(fā)態(tài)（3p、2p）之間形成反轉(zhuǎn)分布。2021/2/426四、激光的特性與應(yīng)用

特性方向性強(qiáng)強(qiáng)度高單色性好相干性好應(yīng)用可用于精密加工，醫(yī)學(xué)，核聚變等。激光加工—

6KWCO2激光加工機(jī)在進(jìn)行金屬表面涂敷合金粉末的作業(yè)2021/2/427核聚變實(shí)驗(yàn)的六路真空靶室實(shí)驗(yàn)中采用大功率(1014KW)釹玻璃激光器2021/2/428C.H.TownesA.M.Prokhorov

N.G.Basov

湯斯1954年在量子電子學(xué)研究中實(shí)現(xiàn)了氨分子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，研制了微波激射器和激光器；普羅霍洛夫和巴索夫1958年幾乎同時(shí)在量子電子學(xué)的基礎(chǔ)研究中，根據(jù)微波激射器和激光器原理研制了振蕩器和放大器。以上工作導(dǎo)致了激光器的發(fā)明。TheNobelPrizeinPhysics19642021/2/429§10.3光的吸收

吸收光譜

光波和物質(zhì)作用的兩種效應(yīng)折射和雙折射現(xiàn)象（速度減慢）消光現(xiàn)象散射(scattering)現(xiàn)象吸收(absorption)現(xiàn)象(部分光波沿其它方向傳播)(光能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量)（光能減弱）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)

2021/2/430一、光吸收的類(lèi)型

一般吸收（generalabsorption

）在給定的波段范圍內(nèi)，若介質(zhì)對(duì)光的吸收很少，而且光吸收量與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，一般吸收意味著光通過(guò)介質(zhì)后不改變顏色而只改變強(qiáng)度。選擇吸收（selectiveabsorption

）在給定的波段范圍內(nèi)，媒質(zhì)吸收某種波長(zhǎng)的光能比較顯著。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，選擇吸收意味著光通過(guò)介質(zhì)后既改變顏色也改變強(qiáng)度。

如果不把光局限于可見(jiàn)光范圍以?xún)?nèi)，可以說(shuō)一切物質(zhì)都具有一般吸收和選擇吸收兩種特性。

選擇吸收性是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因。

2021/2/431二、朗伯定律比爾定律I0III-dI

稱(chēng)為吸收系數(shù)，“－”號(hào)表示隨x增加I

減小。將上式積分：朗伯定律2021/2/432（朗伯定律的數(shù)學(xué)形式）

引入透光率T

和吸收度A

，并定義，，上式表示為實(shí)驗(yàn)表明，在光強(qiáng)變化相當(dāng)大的范圍（約1020倍）內(nèi)，透射光強(qiáng)度滿足朗伯定律的數(shù)學(xué)形式。因此，朗伯定律適用于光強(qiáng)變化相當(dāng)大的場(chǎng)合。2021/2/433比爾定律比爾定律是朗伯定律在溶液情形下的應(yīng)用。稀溶液的吸收系數(shù)與溶液濃度有關(guān)，即朗伯定律可變?yōu)椋菏且粋€(gè)與濃度無(wú)關(guān)的常數(shù)，它表征了吸收物質(zhì)的分子特性，C為溶液的濃度。吸收度A與濃度C

呈線性關(guān)系（比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式）2021/2/434實(shí)際測(cè)量中觀察到吸收度與濃度關(guān)系偏離線性的情況，說(shuō)明比爾定律的成立是有條件的。

比爾定律只在溶質(zhì)分子的吸收本領(lǐng)不受它周?chē)徑肿拥挠绊憰r(shí)才成立。

光的反射、散射、溫度、時(shí)間、壓力等都會(huì)對(duì)比爾定律產(chǎn)生影響。朗伯定律始終成立，但比爾定律有時(shí)不一定成立。考慮loge＝1/2.303

，2021/2/435令，，上式被簡(jiǎn)化為式中，D稱(chēng)為吸光度，稱(chēng)為消光系數(shù)。這種方法稱(chēng)為分光光度分析或比色分析。MM1S平面鏡凸透鏡樣品池光電管M3棱鏡分光光度計(jì)光路圖2021/2/436三、吸收光譜

當(dāng)一束復(fù)色光透過(guò)一定厚度的介質(zhì)時(shí)，利用介質(zhì)對(duì)光的吸收作用因波長(zhǎng)而異，可產(chǎn)生吸收光譜。產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源所發(fā)的光，通過(guò)具有選擇吸收特性的物質(zhì)后，用光譜儀可以觀察到，在連續(xù)的發(fā)射光譜中，呈現(xiàn)出與發(fā)生吸收的波長(zhǎng)區(qū)域相對(duì)應(yīng)的一些暗線或暗帶，這就是吸收光譜。光源單色儀樣品室檢測(cè)儀放大儀計(jì)算機(jī)輸出裝置紫外－可見(jiàn)光分光光度計(jì)原理圖2021/2/437若用原子化裝置代替樣品室，就可得到某元素的原子吸收光譜。所謂原子化就是使待測(cè)樣品中的原子達(dá)到霧化狀態(tài)，并保證霧化原子處于基態(tài)。這樣一旦有外來(lái)光照，原子便可吸收外來(lái)光，產(chǎn)生吸收光譜。每種元素都有其特征吸收波長(zhǎng)和吸收光譜

原子吸收光譜廣泛應(yīng)用于定量分析中

鈉原子吸收光譜對(duì)于氣體、液體和固體而言，一般在紅外區(qū)有選擇吸收。吸收譜線寬度增大且組成連續(xù)譜帶，稱(chēng)為帶狀光譜。紅外光譜分析常用于科學(xué)研究及生產(chǎn)實(shí)踐中。2021/2/438四、植物對(duì)光的吸收

植物對(duì)光的吸收主要靠色素系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些色素對(duì)300～750nm的可見(jiàn)光有不同的吸收率。

植物的光吸收曲線葉綠素、胡蘿卜素的吸收光譜2021/2/439一、光散射的基本規(guī)律§10.4光的散射

光束在介質(zhì)中傳播時(shí)，部分光線偏離原方向分散傳播的現(xiàn)象稱(chēng)為光的散射。從分子理論來(lái)看，光波射入介質(zhì)后，將激起介質(zhì)中的電子作受迫振動(dòng)，從而發(fā)散出相干次波。只要分子密度是均勻的，次波相干迭加的結(jié)果，只剩下遵從幾何光學(xué)規(guī)律的沿原方向傳播的光線，其余方向的振動(dòng)完全抵消；若介質(zhì)是不均勻的，它能夠破壞次波的干涉相消，從而引起光的散射。2021/2/440光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，散射會(huì)使透射光的強(qiáng)度減弱，當(dāng)僅考慮散射時(shí)，透射光遵從指數(shù)衰減規(guī)律：實(shí)際上介質(zhì)對(duì)光的吸收和散射同時(shí)存在，故透射光的強(qiáng)度為：式中為吸收系數(shù)，（+）為衰減系數(shù)。式中I0為入射光強(qiáng)，為散射系數(shù)。2021/2/441二、光散射的基本類(lèi)型據(jù)介質(zhì)不均勻性質(zhì)的起因，散射分為兩類(lèi)：延德?tīng)柹⑸?/p>

光通過(guò)懸浮質(zhì)點(diǎn)（或微粒）的散射，如光在膠體、乳濁液以及含有煙、霧、灰塵的大氣中的散射。分子散射在表面看來(lái)十分純凈、均勻的液體和氣體中，也能觀察到較微弱的散射。這種因介質(zhì)分子的密度漲落而引起的散射稱(chēng)為分子散射。物質(zhì)處于氣、液二相的臨界點(diǎn)時(shí)，密度漲落很大，在光線照射下會(huì)的出現(xiàn)強(qiáng)烈散射，亦屬分子散射。2021/2/442三、瑞利散射與喇曼散射

瑞利散射

瑞利首先研究了第二類(lèi)散射的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)散射光與入射光的頻率相同，因此，這類(lèi)散射又稱(chēng)瑞利散射。（瑞利散射定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式）利用瑞利散射定律可以解釋旭日與夕陽(yáng)的色彩。地球正午時(shí)的太陽(yáng)傍晚時(shí)的太陽(yáng)散射原理廣泛應(yīng)用于飲料與藥物純度的檢驗(yàn)。2021/2/443

喇曼散射

1928年，印度科學(xué)家喇曼在研究溶液對(duì)光的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射光中除了有與入射光頻率0相同的瑞利光外，還有一部分散射光的頻率與入射光不同，這種散射光的頻率為這種散射光的波長(zhǎng)不同于入射光的波長(zhǎng)的散射現(xiàn)象稱(chēng)喇曼散射，相應(yīng)的光譜稱(chēng)為喇曼光譜。應(yīng)用：研究分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分的一種主要方法。激光的出現(xiàn)，使喇曼光譜技術(shù)獲得了新生，從而得以迅速發(fā)展。喇曼在喇曼散射方面卓有成效的研究，使他榮獲1930年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他是印度，也是亞洲第一位獲此殊榮的科學(xué)家。2021/2/444四、散射現(xiàn)象的量子解釋在散射過(guò)程中，入射光子與介質(zhì)分子發(fā)生彈性碰撞，分子吸收并且立即發(fā)射光子，大多數(shù)分子在這過(guò)程中仍回到原來(lái)能級(jí)，光子能量不變，散射光的頻率與入射光的頻率相同，這就是瑞利散射。

在喇曼散射中，光子與分子之間是非彈性碰撞。有些分子吸收光子的一部分能量，回到較高的振動(dòng)能級(jí)，散射光子減少了能量，增加了波長(zhǎng)(減少了頻率)，這就形成喇曼散射的紅伴線。有一些分子原先處于較高的振動(dòng)能級(jí)，給予光子一部分能量后回到較低能級(jí)，散射光子增加了能量，減少波長(zhǎng)(增加頻率)這就形成喇曼散射的紫伴線。由于光子失去或獲得的能量等于分子振動(dòng)能級(jí)差，所以入射光子與散射光子的頻率差正好等于分子的振動(dòng)頻率。2021/2/445一、色散率§10.5光的色散光在物質(zhì)中傳播時(shí)，其速度將比真空中小，而且不同頻率的光在同一物質(zhì)中的傳播速度不同。因此，物質(zhì)的折射率隨光的波長(zhǎng)的不同而改變，這一現(xiàn)象稱(chēng)為色散。色散現(xiàn)象也是光和物質(zhì)相互作用的結(jié)果。對(duì)于給定的介質(zhì)而言，折射率n是波長(zhǎng)的函數(shù)，即

n＝n()色散率2021/2/446棱鏡折射率與頂角和最小偏向角關(guān)系測(cè)得不同波長(zhǎng)的光線通過(guò)棱鏡的最小偏向角，可以按照上式計(jì)算出棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光的折射率，從而可繪出棱鏡的色散曲線（即折射率n與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線）。2021/2/447二、正常色散幾種材料的色散曲線曲線特點(diǎn)：具有以上特點(diǎn)的色散稱(chēng)為正常色散。波長(zhǎng)越短，折射率n越大；波長(zhǎng)

越短，色散率

越大；波長(zhǎng)

很長(zhǎng)時(shí)，折射率n趨于定值；不同物質(zhì)的色散曲線沒(méi)有簡(jiǎn)單的相似關(guān)系。2021/2/448科希于1836年給出了正常色散的折射率與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系：式中

為真空中的波長(zhǎng)，A、B、C為取決于介質(zhì)性質(zhì)的常量，其數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。當(dāng)波長(zhǎng)變化范圍不大時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為介質(zhì)的色散率

上式表明dn/d

<0（常數(shù)B始終為正），并且色散率的數(shù)值隨波長(zhǎng)的增加而減小，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的正常色散曲線相符。

2021/2/449三、反常色散1862年，勒魯用碘蒸氣充滿三棱柱形容器研究光的折射現(xiàn)象，觀察到紫光的折射率比紅光的小，因這一現(xiàn)象與正常色散相反，勒魯稱(chēng)其為反常色散。反常色散總是發(fā)生在物質(zhì)的選擇吸收帶。（孔脫）氰苷溶液色散的實(shí)驗(yàn)曲線曲線上從M點(diǎn)到N點(diǎn)為選擇吸收區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，折射率隨著波長(zhǎng)的減小而減小，即反常色散。在吸收區(qū)域外，折射率隨著波長(zhǎng)的減小而增大，是正常色散。

2021/2/450石英的色散曲線

可見(jiàn)光區(qū)的折射率滿足科希公式（曲線PQ段），因此，在可見(jiàn)光區(qū)域是正常色散若向紅外區(qū)域延伸，在吸收帶(圖中R點(diǎn))附近，明顯偏離正常色散曲線過(guò)了吸收帶重新進(jìn)入透明波段時(shí)，曲線又逐漸恢復(fù)為正常色散曲線

總結(jié)物質(zhì)的色散曲線都是由正常色散區(qū)域和反常色散區(qū)域所構(gòu)成的。不論是氣體、液體或固體介質(zhì)，在一定的波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，都會(huì)有選擇吸收，在這些區(qū)域中總是表現(xiàn)出反常色散。

2021/2/451一、熱效應(yīng)§10.6激光的生物學(xué)效應(yīng)激光生物效應(yīng)一般是指激光作用于生物體可能產(chǎn)生的物理、化學(xué)或生物學(xué)的反應(yīng)。實(shí)現(xiàn)的兩種途徑：碰撞吸收熱效應(yīng)的強(qiáng)弱既取決于激光的強(qiáng)度、照射面積和照射時(shí)間，也取決于生物組織的吸光率、比熱、熱導(dǎo)率等物理參數(shù)。2021/2/452二、光化學(xué)效應(yīng)光化學(xué)效應(yīng)是指在光的作用下產(chǎn)生的生物化學(xué)反應(yīng)。光能可提高某些生物化學(xué)反應(yīng)的速率。光化學(xué)反應(yīng)的兩個(gè)階段：原初光化學(xué)反應(yīng)繼發(fā)光化學(xué)反應(yīng)生成具有高度化學(xué)活性、不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，如自由基，離子極不穩(wěn)定的產(chǎn)物繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，直至形成穩(wěn)定的產(chǎn)物

光合作用、光敏化作用、視覺(jué)作用等都是典型的光化學(xué)反應(yīng)。

2021/2/453三、機(jī)械效應(yīng)當(dāng)生物組織吸收激光能量時(shí)，如果能量密度超過(guò)某一確定闌值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生汽化并伴有機(jī)械波，若能量密度低于該閾值，就只產(chǎn)生機(jī)構(gòu)波，這就是所謂的機(jī)械效應(yīng)。

光不僅具有波動(dòng)性，還具有粒子性，即光子有質(zhì)量有動(dòng)量，因而光子撞擊(照射)物體時(shí)必然會(huì)給受照處施以壓力，稱(chēng)為光壓。激光是高強(qiáng)度光源，它對(duì)生物體可產(chǎn)生一次壓力和二次壓力，輻射壓強(qiáng)為一次壓力，熱膨脹壓強(qiáng)、聲波和蒸發(fā)壓強(qiáng)、電致伸縮壓強(qiáng)等為二次壓力。2021/2/454四、電磁場(chǎng)效應(yīng)激光作用于生物組織引起生物組織變化稱(chēng)之為激光生物電磁場(chǎng)效應(yīng)。電磁場(chǎng)作用于生物組織時(shí)起作用的只是電場(chǎng)。激光的電場(chǎng)強(qiáng)度與激光的功率密度有關(guān)。三種類(lèi)型：喇曼散射

受激喇曼散射

受激布里淵散射

2021/2/455五、刺激效應(yīng)當(dāng)激光照射生物組織時(shí)，如果強(qiáng)度不是很高，就不會(huì)對(duì)生物組織直接造成不可逆性的損傷，而只是產(chǎn)生某種刺激作用，這與超聲波、針刺、艾炙及熱輻射等因子所產(chǎn)生的效應(yīng)相類(lèi)似，稱(chēng)為激光生物刺激效應(yīng)。刺激效應(yīng)是低功率激光作用的結(jié)果，無(wú)法用前述的作用來(lái)解釋。一般把產(chǎn)生生物刺激效應(yīng)的激光稱(chēng)為“弱激光”。當(dāng)用弱激光照射生物機(jī)體時(shí)，激光本身只是一種刺激源。生物機(jī)體對(duì)這種刺激的應(yīng)答反應(yīng)可能是興奮，也可能是抑制。2021/2/456總結(jié)：據(jù)機(jī)理劃分：熱效應(yīng)非熱效應(yīng)通過(guò)發(fā)熱與生物體發(fā)生作用通過(guò)光壓、電磁、光化學(xué)等方式與生物體發(fā)生作用

據(jù)強(qiáng)度劃分：強(qiáng)光生物學(xué)效應(yīng)弱光生物學(xué)效應(yīng)生物材料一般會(huì)發(fā)生汽化、蒸發(fā)、熱凝、熱殺、切斷等變化生物組織一般不會(huì)出現(xiàn)大的損傷，僅可能在遺傳、代謝等方面出現(xiàn)變化2021/2/457§10.7激光在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物科學(xué)中的應(yīng)用一、激光檢測(cè)技術(shù)物理基礎(chǔ)低強(qiáng)度激光照射生命物質(zhì)后，被吸收、反射或產(chǎn)生熒光輻射，這