光的吸收、色散和散射ppt课件.ppt

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1、1,光的吸收、色散和散射,2,光的吸收、色散和散射理论主要讨论光与物质的相互作用。这类现象的研究有两方面的意义：一方面进一步了解光的本性，另一方面可得到许多有关物质结构的信息。,3,定性讨论光的吸收，色散和散射现象及其经典解释。光与物质相互作用的严格理论由量子力学与量子电动力学讨论。,电偶极子模型,振子在振动时，发射次级电磁波。,此模型是粗略的，却有一定的实验基础（如高温低压气体会发射或吸收特定频率的光波），也能定性解释一些现象，并为用量子理论解释作准备。,一 吸收的线性规律,1.朗伯定律,实验表明，在相当广阔的光强范围,即：,光通过,若光通过厚度为 的媒质,朗伯定律（J.H.Lambert，

2、1729）,亦称为布格尔定律（P.Bouguer，1729）,2.比尔定律,实验证明：当光被透明溶剂中溶解的物质所吸收时， 与浓度 成正比。,是一个与浓度无关的常数。（表征吸收物质的分子特性）,比尔定律,它适用于浓度不太大的情况。这是吸收光谱分析的原理。,3.说明,二 光的吸收与波长的关系,1.普遍吸收（一般吸收）：某物质对各种波长的光的吸收程度几乎相等，即 与 无关（如空气，纯水，无色玻璃等在可见光范围内）,2.选择吸收：物质对某些波长的光的吸收特别强烈。,绝大部分物体呈现颜色，都是其表面或体内对可见光的选择吸收的结果。,选择吸收是光与物质作用的普遍规律，对广阔的电磁波谱而言，普遍吸收的媒质

3、不存在。,三 吸收光谱,1.光谱实验：观测物质对光的选择吸收。,13,2.吸收光谱,同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有对应关系。,物质的发射和吸收光谱有三种：线光谱（原子气体），带光谱（分子气体，液体，固体）和连续光谱。,历史上靠这种方法发现了铯，铷，铊，铟，镓 等新元素。,3.应用,He元素的发现：1868(法)严森在太阳光谱中发现一些不知来源的暗线（吸收线），英国天文学家洛克厄把这一现象解释为存在一种未知元素，取名为氦(源于希腊文太阳之意)。此元素直到1894年才被英国化学家莱姆赛从钇铀矿物蜕变出的气体中发现，说明地球上也存在He。,一 色散现象,不同频率的光在同一物质中传播速度不同，即物

4、质的折射率与光的频率有关，而折射率取决于真空中光速与物质中光速之比。,（1672年 牛顿）,二 色散与经典电磁理论,色散现象也是光和物质相互作用的结果，可用分子电偶极子模型的受迫振动来解释，但Maxwell理论无法解释。,根据Maxwell理论：,（非铁磁质）,与频率无关,因为此理论中，没有有关物质特性的引入，后来洛仑兹的经典电子论找到了电磁场频率与 的关系，由此得到与 的关系，阐明了色散现象。,三 色散的特点,棱镜色散（色散光谱） 非匀排,光栅色散（光栅光谱） 匀排,棱镜色散：角色散率,同一物质在不同波长区的 不同，各种物质的色散没有简单的关系。研究此问题关键是找出各波长区 之值，或 函数。

5、,四 正交棱镜观察法,阅P196 图6-2,五 正常色散和反常色散,分析色散曲线P197图6-3 的几个特点,小 大,不同物质的色散曲线没有简单的相似关系。,1.正常色散：波长越短，折射率越大。 反常色散：反之。,例1：鲁氏在1862年用充满碘蒸气的三棱柱形容器观察光通过它的折射，发现青色光比红光折射小。,例2：光通过品红溶液，紫光偏转比红光小。,2.孔脱定律：反常色散总是与光的吸收有 密切联系,“反常”的含义：并不反常，很普遍。,“反常”色散和“正常”色散仅是历史上的名词沿用下来的。,任何物质在红外或紫外光谱中只要有选择吸收存在，在这些区域中总表现出反常色散（普遍的孔脱定律）。只有当波长在两

6、个吸收带中间且远离它们时，所谓“正常”色散才发生。,24,实验色散曲线,介质的色散曲线,六 色散方程,1 柯西方程：,说明： 式中 ：入射光在真空中的波长。 物质常数，对每一种物质， 均应由实验测定。, 此式在可见光区域对正常色散相当准确。,大多数情况，取前两次就足够。,即：,色散,2 塞耳迈尔方程：,塞耳迈尔于1871年，根据介质分子具有不同固有振动频率的假定，从理论上说明了在吸收带附近和远离吸收带处的全部色散情况。,说明： 式中 ：入射光在真空中的波长。 ：物质常数 ：和固有频率有关。,不但正确表达了正常色散，也近似地表达了吸收带附近地反常色散。,但有严重缺点： （无限趋近吸收带）在长波一

7、边 ，在短波一边 ，无意义。,3 亥姆霍兹方程（略）,30,散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也能够清楚地看到这些介质散射的光。这种现象就是光的散射。,下图是1984年9月北京天安门广场激光表演调试时的照片。我们能看到划破夜空，射向天空的激光，就是利用了光的散射现象。,31,一 光的散射现象,总的：,：散射系数,：衰减系数,二 散射与媒质不均匀性的关系,均匀媒质：受迫振动发出的相干次波，相干叠加结果只剩下遵从几何光学规律的光线，沿其余方向振动完全抵消。,不均匀媒质：（均匀物质中散布

8、着n与它不同的大量其它物质微粒或物质本身组成部分(粒子)不规则聚集），不均匀性达到波长量级，在光波作用下成为差别较大的次波源。这些次波(不)相干叠加结果，与均匀媒质不同，除了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 散射光。,若不均匀团块尺度 ，散射又可看成是在这些团块上的反射和折射。,按不均匀团块的情况，散射可分为两大类：,(1)悬浮质点的散射：如胶体，乳状液，含有烟雾、尘埃的大气等。,(2)分子散射：分子热运动造成密度的局部涨落引起的散射。,如：十分纯净的液体或气体，也能产生较微弱的散射。,三 瑞利散射,1.瑞利散射（Rayleigh）,散射光强,此定律说明，散射光中短波占

9、优势，故白光的散射呈青蓝色，而通过散射物的光呈红色，这就是红光穿过薄雾能力强的原因（信号灯或信号旗用红色）红外线则更强（红外遥感）。,注意此定律只适用于尺度 的小颗粒散射。,2.瑞利定律（1871年）,解：,白光散射可看到青蓝色,1908和1909年，米(Mie)和德拜(Debye)以球形质点(半径 )为模型作了计算，只有 时，瑞利定律才成立，当 较大时，散射强度几乎与波长无关（米氏散射）。,四 大气散射自然现象的解释,2.天空呈蓝色，旭日和夕阳呈红色。,3. 为什么点燃的香烟冒出的烟是淡蓝的，而吸烟者口中吐出的烟却呈白色？,3.白云,大气散射一部分来自悬浮的尘埃，另一部分来自密度涨落引起的分

10、子散射，后者尺度比前者小得多，故瑞利定律的作用更明显。所以雨过天晴，天空总是格外蓝。,五 散射光的偏振状态,光源发出自然光，在垂直于入射光的方向上，散射光是线偏振光，在原入射方向上，散射光仍是自然光，沿斜方向观察，散射光是部分偏振光。,45,散射光的偏振性,46,散射光偏振性的应用,例1. 南北极探险用： “太阳罗盘”（利用阳光散射的偏振性）辨别方向（因磁罗盘在南北极无用）例2. 蜜蜂靠天空光的偏振性辨别方向（蜜蜂的眼睛中有对偏振敏感的器官）,七 拉曼散射,1.现象,瑞利散射不改变频率。1928年喇曼和曼杰利什塔姆在液体和晶体散射中发现，散射光中除有与入射光的原频率0相同的瑞利射线外，谱线两侧

11、还有频率为0 1，0 2 ，等散射线存在，这种现象称为拉曼散射。（前苏联称联合散射）,2.实验,3.拉曼光谱的特征,在每条原始入射谱线 两旁都伴有频率差 相等的散射谱线。在长波一侧的 称为红伴线或斯托克斯线。在短波一侧的 称为紫伴线或反斯托克斯线。,频率差 与入射光频率 无关。它们与散射物质的红外吸收频率对应，表证了散射物质的分子振动频率。,4.应用,为研究分子结构提供了一个重要工具，用此法可容易、迅速地定出分子振动的固有频率，并判断分子的对称性、内部作用力及研究相关分子动力学问题。,拉曼光谱已成为光谱学的一个重要分支，有了激光后，光强达到一定值，还可出现受激喇曼散射等非线性效应。 （还有布里渊散射）,51,