光的吸收、色散和散射物理光学.ppt

教学目标：掌握朗伯定律、瑞利定律；理解光的吸 收、散射和色散的特点及相互联系；了 解有关现象的经典理论解释。,第六章 光的吸收、散射和色散,内容分析：第一单元（1）：经典电磁理论中用以 解释光与质相互作用的电偶极子模型。第二单元（2）：光的吸收及规律。第三单元（3）：光的散射及规律。第四单元（4）：光的色散及规律。,I0,I,I-dI,dx,x,x+dx,l,X,定义：光通过介质后出现的出射光强小于入射光强的现象。解释：用经典电磁理论中的振子模型解释：光能 振动能 热能。21 吸收定律朗伯定律 设光通过厚度为dx的介质层时，光强由I减少为（IdI），则有 成立,2 光的吸收,比尔定律实验表明：在浓度较低的溶液中，吸收系数a与溶液浓度C成正比，a=AC。A为与溶液浓度C无关的常数，表征物质的分子特性。代入a与C的关系，朗伯定律变形为这称为比尔定律。利用比尔定律，通过测量I可得溶液浓度C。,积分可得通过厚度为l的介质后的光强I，,22 吸收类型一般吸收：a值很小且不随波长发生明显变化，即 呈现所谓“透明”状态。选择吸收：a值很大且随波长发生急剧变化，即呈 现“不透明”状态。吸收普遍存在于一切介质中，任何介质中都可发生两种类型的吸收，关键取决于波长。,23 吸收光谱产生连续光谱的光源在通过介质后产生吸收，所形成的光谱为吸收光谱，如图65所示。吸收系数大的位置出现谱线消失。用途：物质的定量分析；气象、天文研究。,定义：光通过某些介质时，在偏离正常传播方向上有 光出射的 现象。,3 光的散射,31 散射类型 1 瑞利散射 发生于混浊介质中。原因是在均匀介质中包含许 多线度比波长更小的、折射率不同的其他物质的 微粒。2 分子散射 发生于表面看来均匀纯净的介质中。原因是介质 中分子密度 起伏破坏了介质的均匀性而导致。,32 散射定律正常传播方向上的光强 因为散射分散了正常传播方向上的光能量，表现为正常传播方向上光强的减弱，故可用朗伯定律描述：s称散射系数。出射光仍为自然光。,散射光光强 设观察方向与正常传播方向之间的夹角为，散射光强为,33 瑞利定律实验表明：散射光中各种波长的能量不是均匀分布的，短波占有明显优势，即有 的关系成立，这个关系称为瑞利定律。,光的性质由角的变化而变为偏振度不同的偏振光；当=90时为平面偏振光，其余方向为部分偏振光。,定义：光通过介质时，传播速度随频率而变化，因 而不同波长的光具有不同的折射率值的现 象。,4 光的色散,物质的色散特性可用角色散率D描述：对棱镜 表征 关系的存在，即表征物质的色散特性。,色散现象的客观存在说明了电磁理论存在缺陷。只有在深入研究物质原子结构的基础上，才能解释折射率随频率变化的原因。,42 色散曲线和光谱实验中用正交棱镜观察法测量色散曲线，参见图612。对棱镜有最小偏向角0可表示谱线的移动距离，即谱线可表示出 n之间的关系。实验中通过测定不同波长的光对应的0，得出n 关系，即为色散曲线。,光谱图611：特点：1 光谱线是非均匀排布的。2 短波段的角色散率比长波段的大（可比较 a、c）。3 折射率大则角色散率大，光谱就展开的宽（可比较a、b）。,色散曲线图614：特点：1 随波长值变大，折射率值减小。2 短波段色散曲线斜率较大，角色散率较 大。3 波长一定时，介质的折射率越大，则色散 曲线的斜率越大。,43 色散类型及方程正常色散 特点：当波长 变大时，折射率值 n 变小，角色散率D变小。一切无色透明介质在可见光区域均表现为正常色散。描述正常色散时n 与 关系的经验公式为科希方程：a、b、c为由介质特性决定的常数，由实验得出。当波长间隔不大时，科希方程可取近似形式：,反常色散在某些波长段会出现波长变大，折射率值增大的现象，这称为反常色散。反常色散同样是物质的普遍性质。反常色散与选择吸收密切相关，即发生于物质的选择吸收波段附近。描述反常色散下 n 与 关系的经验公式为塞耳迈耳方程：由此式得 当 0时，n，这是一个缺陷。,由上两式可得：，与正常色散曲线、光谱的特点相吻合。,