《光学教程》(姚启钧)第六章光的吸收、散射和色散.ppt

电偶极子(electric dipole)：一对靠得很近的等量异号的点电荷组成的系统。,电偶极矩(electric dipole moment),电磁波辐射,电偶极子,6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释,R代表观察者离偶极子距离,1 电偶极子模型,光通过物质时，各分子将依次按入射光到到达该分子时的相位做受迫振动。,做受迫振动的各分子将依次发出次级电磁波。,能初步解释直线传播、折射和反射等现象。,2 对反射和折射现象的初步解释,6.2 光的吸收,一般吸收：若物质对各种波长的光的吸收程度几乎相等，即吸收系数a与无关，则称为一般吸收.在可见光范围内的一般吸收意味着光束通过媒质后只改变强度，不改变颜色。例如空气、纯气、无色玻璃等媒质都在可见光范围内产生一般吸收。选择吸收：若物质对某些波长的光的吸收特别强烈，则称为选择吸收。对可见光进行选择吸收，会使白光变为彩色光，绝大部分物体呈现颜色，都是其表面或体内对可光进行选择吸收的结果。,1 一般吸收和选择吸收,从广阔的电磁波谱来考虑，一般吸收的媒质是不存在的，在可见光范围内一般吸收的物质，往往在红外和紫外波段内进行选择吸收，故而选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律，以空气为例，地球大气对可见光和波长在3000埃以上的紫外是透明的，波长短于3000埃紫外线将被空气中的臭氧强烈吸收，对于红外辐射，大气只在某些狭窄的波段内是透明的。这些透明的波段称为“大气窗口”。这里的主要吸收气体是水蒸汽，所以大气的红外窗口与气象条件有密切关系。制作分光仪器中棱镜、透镜的材料必须对所研究的波长范围的透明的，由于选择吸收，任何光学材料在此外和红外端都有一定的透光极限。紫外光谱仪中的棱镜需用石英制作，红外光仪中的棱镜则常岩盐或CaF2、LiF等晶体制成。,如图6-1所示，光强为I0的单色平行光束沿x轴方向通过均匀物质，在经过一段距离x后光强已减弱到I，再通过一无限薄层dx后光强变为I+dI（dI0）。实验表明，在相当宽的光强度范围内，-dI相当精确地正比于I和dx，即,称为布格定律（Bouguer law）或朗伯定律。该定律是布格（P.Bouguer，16981758）在1729年发现的，后来朗伯（J.H.Lambert，17281777）在1760年又重新作了表述。,absorption coefficient,2 朗伯定律,光的吸收,实验表明，当光被透明溶剂中溶解的物质吸收时，吸收系数a与溶液的浓度C成正比，即a=AC，其中A是一个与浓度无关的常量。这时，式(6.1）可以写成(6-2)称为比尔定律（Beer law）。根据比尔定律，可以测定溶液的浓度，这就是吸收光谱分析的原理。比尔定律表明，被吸收的光能是与光路中吸收光的分子数成正比的，这只有每个分子的吸收本领不受周围分子影响时才成立，事实也正是这样，当溶液浓度大到足以使分子间的相互作用影响到它们的吸收本领时就会发生对比尔定律的偏离。,常见光学材料的透光极限,用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质，然后利用摄谱仪或分光光度计，可以观测到在连续光谱的背景上呈现有一条条暗线或暗带，这表明某些波长或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光谱（absorption spectrum）。emission spectrum有：line spectrum、band spectrum）和连续谱等。大致说来，原子气体的光谱是线状谱，而分子气体、液体和固体的光谱是带状谱，吸收光谱的情况也是如此。值得注意的是，同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系，即物质自身发射哪些波长的光，它就强烈吸收这些波长的光。,3 吸收光谱,按照经典的电磁理论，原子可以看成是一系列弹性偶极振子的组合，其中每个振子有一定的固有频率，于是原子就有了一系列的固有频率。这种偶极振子一旦被外部能源激发，每个振子都会以其固有频率作简谐振动，并向周围空间发出同一频率的单色电磁波，从而在发射光谱上形成一条条的光谱线，形成了原子气体的线状发射光谱。当包含有各种频率的白光照射在原子气体上时，只有那些频率与原子有固有频率一致的电磁波，会引起共振而被原子气体强烈地吸收，于是在原子气体的吸收光谱中形成了一条条与原子核固有频率对应的暗谱线。,6.4 光的色散,在真空中，光以恒定的速度传播，与光的频率无关。然而，在通过任何物质时，光的传播速度要发生变化，而且不同频率的光在同物质中的传播速度也不同，这一事实在折射现象中最明显地反映了了出来，即物质的折射率与光的频率有关，折射率n取决于真空中光速c和物质中光速u之比，即 n=c/u 这种光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率（或波长）而变化的现象，称为光的色散现象。1672年牛顿首先利用棱镜的色散现象，把日光分解成了彩色光带。,1 色散的特点,正常色散 测量不同波长光线通过棱镜的最小偏向角，就可以算出棱镜材料的折射率n与波长之间的关系曲线，即色散曲线。实验表明，凡在可见光范围内无色透明的物质，它们的色散曲线在形式上很相似，这些曲线的共同特点是，折射率n以及色散率dn/d的数值都随着波长的增加而单调下降，在波长很长时折射率趋于定值，这种色散称为正常色散（normal dispersion）。1836年，科希（A.L.Cauchy）给出了正常色散的经验公式，即,2 正常色散和反常色散,交叉棱镜装置,色散曲线具有的特点：1、波长愈短，折射率愈大；2、波长愈短，愈大，角色散率也愈大；3、波长一定时，不同物质的折射率愈大，愈大；4、不同物质的色散曲线没有简单的相似关系。,实验表明，在发生强烈吸收的波段，色散曲线中折射率n随着波长的增加而增大，即dn/d 0，与上述正常色散曲线大不相同。尽管通常把这种色散称为反常色散（anomalous dispersion），但实际上它反映了物质在吸收区域内所普遍遵从的色散规律。在吸收区域以外，物质的色散曲线仍属于正常曲线。,反常色散,6.5 色散的经典理论,复数折射率的意义 n透明媒质折射率的本意是=c/v。即真空光速c与媒质中光速v之比，在媒质中沿x方向传播的平面电磁波中电场强度可作如下复数形式：这里n是实数，电磁波不随距率衰减，如果我们形式地把折射看成是复数,光强则为 代表一个随距离x衰减的平面波，故k称为衰减指数，衰减指数k与吸收系数a的关系是 这里是真空中波长，由此可见，媒质的吸收可归并到一个数折射率的概念中去，折射率的虚部反映了因媒质的吸收而产生的电磁波衰减。,光线通过均匀的透明媒质(如玻璃、清水）时，从侧面是难以看到光线的。如果媒质不均匀，如有悬浮微粒的浑浊液体，我们便可从侧面清晰地看到光束的轨迹，这是媒质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果。光的散射与不均匀性的尺度有很大关系，下面我们就这个问题作稍细的解释。,如果媒质的均匀性遭到破坏，即尺度达到波长数量级的邻近媒质小块之间在光学性质上（如折射率）有较大差异，在光波的作用下它们将成为强度差别较大的次波源，而且从它们到空间各点已有不可忽略的光程差，这些次波相干迭加的结果，光场中的强度分布将与上述均匀媒质情形有所不同，这时，除按几何光学规律传播的光线外，其它方向或多或少也有光线存在，这就是散射光，由此可见，尺度与波长可比拟的不均匀性引起的散射，也可看作是它们的衍射作用，如果媒质中不均匀团块的尺度达到远大于波长的数量级，散射又可看成是在这些团块上的反射和折射,