甲型光學第九章光的吸收色散和散射課件

第9章光波與物質(zhì)的相互作用光的吸收光的色散光的散射光在介質(zhì)中的非線性效應(yīng)第9章光波與物質(zhì)的相互作用光的吸收19.1光的吸收一、線性吸收規(guī)律光強不是很大時，被吸收的能量、即被吸收的光強，與吸收體的厚度成正比。吸收系數(shù)Bougure定律(1729)或Lambert定律(1760)對于溶液濃度Beer定律（1852年）9.1光的吸收一、線性吸收規(guī)律吸收系數(shù)Bougure定律(2二、吸收的數(shù)學表示平面光波的表達式由于吸收，光波的振幅隨距離衰減復折射率光強復折射率的虛部反映了由于介質(zhì)對波的吸收而引起的衰減二、吸收的數(shù)學表示平面光波的表達式復折射率光強復折射率的虛3三、吸收系數(shù)與波長的關(guān)系1、普遍吸收：吸收系數(shù)與波長無關(guān)，吸收后所有成分的光強改變。這種情況實際上是不存在的，有一些物質(zhì)僅僅對某一波段的光波均勻吸收例如可以認為純凈的空氣和玻璃對可見光普遍吸收，即白光經(jīng)過后顏色不變。2、選擇吸收：介質(zhì)對不同波長的光有不同的吸收系數(shù)，α＝α（λ）三、吸收系數(shù)與波長的關(guān)系1、普遍吸收：吸收系數(shù)與波長無關(guān)，吸4白光經(jīng)過一定厚度介質(zhì)之后，吸收系數(shù)隨波長變化暗線吸收光譜單色儀入射光（白光）吸收體（樣品）透射光入射狹縫出射狹縫光電探測器記錄儀器吸收光譜白光經(jīng)過一定厚度介質(zhì)之后，吸收系數(shù)隨波長變化暗線吸收光譜單色5選擇吸收反映了物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)介質(zhì)中的原子吸收入射光，發(fā)生躍遷能級間隔與入射光子能量匹配，受激吸收帶狀譜線狀譜吸收帶孤立原子固體中稀土離子分立能級凝聚態(tài)物質(zhì)能帶吸收線選擇吸收反映了物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)介質(zhì)中的原子吸收入射光，發(fā)生躍遷6大氣窗口與溫室氣體大氣層對不同波段的電磁輻射選擇吸收大氣窗口與溫室氣體大氣層對不同波段的電磁輻射選擇吸收7大氣層對電磁輻射的吸收曲線大氣層對電磁輻射的吸收曲線8紅外窗口在紅外波段，大氣層呈現(xiàn)明顯的選擇吸收某些紅外輻射可以穿透大氣層，被稱作紅外窗口紅外窗口對地球保持適宜的溫度至關(guān)重要如果紅外窗口變小，則由于紅外輻射難以通過大氣層，會導致地球溫度上升。這就是溫室效應(yīng)（Greenhouseeffect）紅外窗口在紅外波段，大氣層呈現(xiàn)明顯的選擇吸收9溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)10甲型光學第九章光的吸收色散和散射課件11大氣和地面的太陽輻射譜大氣和地面的太陽輻射譜12PatternofabsorptionbandsgeneratedbyvariousgreenhousegasesandtheirimpactonbothsolarradiationandupgoingthermalradiationfromtheEarth'ssurface.Notethatagreaterquantityofupgoingradiationisabsorbed,whichcontributestothegreenhouseeffect.Patternofabsorptionbandsge13溫室氣體大氣層中吸收紅外輻射的氣體中要有：水蒸汽（H2O）、二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氟氯化碳（CFCs）、全氟碳化物（PFCs）、氫氟碳化物（HFCs），含氯氟烴（HCFCs）及六氟化硫（SF6），等等溫室效應(yīng)中，各種氣體的作用各不相同，其中水氣36~70%，二氧化碳9~26%，甲烷4~9%，臭氧3~7%溫室氣體大氣層中吸收紅外輻射的氣體中要有：14地球變暖工業(yè)化之后溫室氣體的增加氣體工業(yè)化之前當前

自1750年來增量輻射強度(W/m2)CO2280ppm387ppm104ppm1.46CH4700ppb1,745ppb1,045ppb0.48N2O270ppb314ppb44ppb0.15CFC-120533ppt533ppt0.17地球變暖工業(yè)化之后溫室氣體的增加氣體工業(yè)化之前當前

自1715甲型光學第九章光的吸收色散和散射課件162000年各地區(qū)人均溫室氣體排放量2000年各地區(qū)人均溫室氣體排放量172000年各地區(qū)溫室氣體密度分布2000年各地區(qū)溫室氣體密度分布182000年各地區(qū)人均CO2排放量2000年各地區(qū)人均CO2排放量192000年各地區(qū)溫室氣體排放量2000年各地區(qū)溫室氣體排放量20物體的顏色物體由于對光的吸收不同，而呈現(xiàn)出不同的顏色發(fā)光體由于輻射波長范圍的不同，也呈現(xiàn)出不同的顏色物體的顏色物體由于對光的吸收不同，而呈現(xiàn)出不同的顏色21色坐標與色度學色坐標與色度學22光與色色光加色混合法顏料減色混合法光與色色光加色混合法顏料減色混合法23CRT三基色熒光粉發(fā)射光譜CRT三基色熒光粉發(fā)射光譜24剛玉紅寶石藍寶石黃色白寶石剛玉紅寶石藍寶石黃色白寶石25三基色相加混合紅＋青＝白紅＋綠＝黃藍＋黃＝白綠＋藍＝青綠＋品紅＝白紅＋藍＝品紅紅＋綠＋藍＝白彩色顯示器顯示單元XYZ色度圖三基色相加混合彩色顯示器顯示單元XYZ色度圖26red(●)+green(●)=yellow(●)green(●)+blue(●)=cyan(●)blue(●)+red(●)=magenta(●)Light(RGB)red(●)+green(●)=yellow(●)green27Pigment(CMY)Cyan(●)+magenta(●)=blue(●)Magenta(●)+yellow(●)=red(●)yellow(●)+cyan(●)=green(●)Pigment(CMY)Cyan(●)+magenta(28Light(RYB)red(●)+yellow(●)=orange(●)yellow(●)+blue(●)=green(●)blue(●)+red(●)=violet(●)Light(RYB)red(●)+yellow(●)=o29基色、二級色、三級色基色、二級色、三級色309.2光的色散光在媒質(zhì)中的傳播速度或折射率隨波長改變，稱為色散。不是由于衍射而引起。色散率

色散規(guī)律9.2光的色散光在媒質(zhì)中的傳播速度或折射率隨波長改變，稱31牛頓正交棱鏡實驗

不同介質(zhì)的色散曲線牛頓正交棱鏡實驗λn色散曲線牛頓正交棱鏡實驗不同介質(zhì)的色散曲線牛頓正交棱鏡實驗λn色散32正常色散的科希公式（經(jīng)驗公式）通?？梢匀∏皟身桝，B，C是與材料有關(guān)的常數(shù)正常色散的科希公式（經(jīng)驗公式）通?？梢匀∏皟身桝，B，C是與33吸收帶在吸收帶中，光不能通過，無法測折射率光的色散在這一區(qū)域的表現(xiàn)被稱為反常色散反常色散吸收帶在吸收帶中，光不能通過，無法測折射率光的色散在這一區(qū)域34吸收和色散的經(jīng)典理論當電荷的運動速度、方向改變時，將會產(chǎn)生交變電場、并向外輻射電磁波原子、分子核外電子都被束縛在原子附近。在外場的作用下，正負電中心分離，介質(zhì)被極化，形成電偶極子。將電偶極子作為彈性振子處理，電偶極子在入射光電場的作用下，將會作受迫振動，并輻射出電磁波。這就是經(jīng)典的受激原子發(fā)光的洛侖茲模型。吸收和色散的經(jīng)典理論當電荷的運動速度、方向改變時，將會產(chǎn)生35電偶極子的極化電偶極子在外場的作用下做受迫振動阻尼項極化強度極化率相對介電常量折射率電偶極子的極化電偶極子在外場的作用下做受迫振動阻尼項極化36折射率復折射率實部虛部折射率復折射率實部虛部37在損耗很低的情況下介質(zhì)的折射率可能大于1，也可能小于1，甚至可能是負值n隨著ω增加而增加，正常色散區(qū)域共振吸收n隨著ω增加而減小，反常色散區(qū)域X射線在介質(zhì)中的折射率小于1在損耗很低的情況下介質(zhì)的折射率可能大于1，也可能小于1，甚389.3光的散射光在不均勻媒質(zhì)中產(chǎn)生散射。介質(zhì)中的帶電粒子都對入射的光波進行散射如果粒子均勻分布，則所有散射波疊加的結(jié)果，只剩下沿入射方向的光波。所以，對于均勻分布的介質(zhì)，不必計入散射。9.3光的散射光在不均勻媒質(zhì)中產(chǎn)生散射。39散射的分類懸浮質(zhì)點的散射

分子散射散射定律瑞利散射：當散射體的尺寸小于波長時，散射光強∝(1/λ)4米—德拜散射：散射體顆粒度遠大于波長時，散射光強對波長的依賴性不強。散射的分類懸浮質(zhì)點的散射

分子散射40瑞利區(qū)米氏區(qū)散射幾率0.010.1110100RayleighScatterMie-DebyeScatter

瑞利區(qū)米氏區(qū)散射幾率0.010.1110100Rayleig41大氣層的瑞利散射大氣層的瑞利散射42天空的顏色直視太陽，進入眼睛的主要是被大氣散射之后透射過來的光巡視天空，進入眼睛的是陽光經(jīng)大氣散射之后的光天空的顏色直視太陽，進入眼睛的主要是被大氣散射之后透射過來的43日落處變紅，遠處天空藍色，都是由于瑞利散射日落處變紅，遠處天空藍色，都是由于瑞利散射44日落，透射光與散射光日落，透射光與散射光45Coloradosky瑞利散射形成的藍天Coloradosky瑞利散射形成的藍天46攝于內(nèi)蒙沙漠上空，地平線處白色是由于米·德拜散射攝于內(nèi)蒙沙漠上空，地平線處白色是由于米·德拜散射47散射的方向性散射光的強度、偏振都與方向有光散射的方向性散射光的強度、偏振都與方向有光48強光在介質(zhì)中的非