ch5-12光的吸收、色散和散射

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013/12/28,#,光吸收：光波在介质中传播时，其强度随传播距离衰减的现象。,1.,线性吸收定律,5,12,光的吸收、色散和散射,一,.,光的吸收,吸收是介质的普遍性质，没有任何一种介质对任何波长的电磁波均完全,透明。,一般介质只能对某些波长范围内的光波透明，而对另外一些波长,范围的光波不透明或部分透明。,：介质的吸收系数, 布格尔（朗伯）定律,d,I,=,I,d,z,O,z,z,l,z,+d,z,I,0,I,均匀介质中，光强度的衰减量正比,于入射光强度和介质薄层厚度。,光的吸收,布格尔（朗伯）定律：,光波透过整个介质后的强度：,I,=,I,0,e,l,I,0,：入射光强度；,l,：光波穿过的介质厚度,朗伯定律描述了介质在一般光源下光吸收的线性定律 ，,与光强无关。,布格尔定律仅描述了介质在一般光源产生的光辐射下的线性吸收，对于,强激光辐射下的非线性吸收，布格尔定律不再成立。,I,=,I,0,e,ACl,比尔定律：,比尔定律仅适用于稀释溶液,（物质分子的吸收本领不受其邻近分子影响,时才成立）。对于稀释溶液，根据比尔定律，在,A,已知的情况下，可以,通过溶液的吸收特征来确定溶液的浓度。,当溶液浓度很大时，分子间的相互作用不可忽略，比尔定律不再成立，,但布格尔定律成立。, 比尔定律,比尔实验结果：,稀释溶液的吸收系数,正比于溶液的浓度,C,=,AC,A,：与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收物质分子的特征。,一般吸收,：,介质对某些波长范围光辐射的均匀吸收。,普遍吸收的特点：,吸收系数很小，且对于给定波段内各种波长成分具有相同,程度的吸收系数,。,选择吸收,：,介质对某些波长范围的剧烈吸收,。,选择吸收的特点：,吸收系数很大，且随波长的不同而剧烈地变化,。,任何物质，既存在普遍吸收，又存在选择吸收。不同物质对不同波长,范围的光辐射具有不同的吸收特性。,对于可见光波段，普遍吸收意味着光波透过该介质时不变色，选择吸,收则意味着光波透过该介质时的颜色将发生改变。,2.,一般吸收和选择吸收,(1),吸收光谱,具有连续光谱分布的光，通过吸收介质之后，某些波段或某些波长成,分的光能量被介质部分或全部吸收，原来连续分布的光谱中将出现一些,暗,区或暗线,。,发射光谱与吸收光谱,：,物质在较高温度下的发射光谱与在较低温度下的吸,收光谱对应,。前者表现为暗背景下的一组亮带或亮线，后者则表现为,连续光谱下的一组暗带或暗线。,带状光谱,：由于物质分子或原子间相互作用的影响，一般情况下，流体、,固体物质的吸收波段很宽，吸收光谱为具有一定宽度的带状分布。,线状光谱：,稀薄气体的吸收波段很窄，吸收光谱为一系列明锐的暗线。,3.,吸收光谱及其应用,太阳光谱,：,较宽的连续光谱,，其中,99.9,的能量集中在红外、可见光及紫,外区。由于地球大气中臭氧、水汽和其他大气分子的强烈吸收，短于,295nm,和大于,2500nm,波长的太阳辐射不能到达地面，故在地面上观,测的太阳辐射的波段范围大约为,295,2500nm,。,夫琅禾费线,：,太阳辐射的连续光谱背景上呈现出的暗线,，,源于太阳周围温,度较低的太阳大气中的原子对更加炽热的内核发射的连续光谱选择吸,收的结果。, 物质中杂质元素含量的定量分析：极少量混合物或化合物中原子含量,的变化在光谱吸收中将反映为吸收系数的很大变化，通过对其吸收光,谱的分析，可以定量确定出该元素的含量及变化规律。, 红外技术研究：地球大气对可见光具有较高透明度，但对红外线的某,些波段却存在选择吸收。研究大气对红外波段的光谱吸收特性，有助,于红外技术在遥感、导航跟踪及高空摄影等技术领域更有效地应用。,(2),吸收光谱的应用, 气象预报：大气中的主要吸收气体为水蒸气、二氧化碳及臭氧等，通,过对这些成分的光谱吸收特性的分析，可获知其含量的变化，从而为,气象预报提供必要的参考资料。, 分子结构分析：不同分子或同一分子的不同同质异构体，具有明显不,相同的红外吸收光谱。通过分析分子的红外吸收光谱，可以获取分子,结构的信息。, 太阳大气分析,色散,：介质的折射率随波长（频率）不同而变化,色散率：,d,n,/d,，介质的折射率随波长的变化率,正常色散：,d,n,/d,0,：,出现于介质的选择吸收光谱区域,二,.,光的色散,= ,3,(,nm),冕牌玻璃,轻火石玻璃,石英玻璃,重火石玻璃,萤石,1000,0,800,600,400,200,1.40,1.50, 正常色散,n,1.80,1.60,1.70,常用光学材料的正常色散曲线,给定介质：,，则,n,，,d,n,/d,正常色散柯西经验公式：,C,4,B,2,+,n,=,A,+,A,，,B,，,C,：与介质有关的常数,波长变化范围不太大时：,B,2,n,=,A,+,色散率：,2,B,dn,d,d,n,/d,0,n,0,介质的色散和吸收曲线,色散,吸收,1,0,一种介质的全部色散曲线,折射率在相邻两个选择吸收带之间随波长增大呈单调降；,每个选择吸收带处折射率发生突变，且长波一侧折射率急剧增大；,随着波长的增大，各吸收带之间的曲线抬高,科希公式中的,A,值增大；,=,0,时，对于任何介质，,n=,1,。波长较小时，如,射线和,X,射线，,n,0,时，对上式进一步作级数展开，并取二级近似：,2,=,1,+,b,1,2 1,(,0,/,),2,1,b,2,n,1,+,4,B C,b,2,2, ,2, +,+,n,1,+,(2),由塞耳迈耶公式导出柯西公式,(3),吸收的起因,经典的电偶极辐射模型：,光波电场使介质中的带电粒子极化而作受迫,振动，一部分光能量转化为偶极振子的振动能量。若受迫振动的偶极,振子间不发生碰撞，则各自的振动能量将以次波（偶极辐射）的形式,发出，从而使总的光能量不受损失，即表现为介质透明而无吸收。若,受迫振动的偶极振子之间因发生碰撞，则有可能将部分振动能量转化,为振子的平动动能，因而次级辐射的光能量减少。,=,E,0,exp,(,k,0,n,z,),exp,i,(,k,0,n,z,t,),2,4,n,=,2,k,0,n, =,吸收系数：,复折射率的实部,n,决定了光波在介质中传播时的相位延迟特性；,复折射率的虚部,n,导致了光波在介质中传播时衰减。,根据光学性质不均匀性质，散射可分为：,分子散射：,气体、液体中随机运动的分子、原子,廷德尔散射,：烟雾、尘埃，液体中混入小微粒，晶体中杂质或缺陷等。,光散射：光束通过光学性质不均匀的介质时，光线偏离原来的传播方向,向各个方向传播。,四,.,光的散射,(1),光的散射与不均匀性的关系,衍射对应于介质表面或体内个别几何线度与波长相当的非均匀区域，,散射对应于大量排列无规则且几何线度略小于波长的非均匀区域的集合,。,一般情况下，每个非均匀区域均有衍射发生，但各个区域所产生的衍,射光波，因其不规则的初相位分布而发生非相干叠加，从而在整体上无衍,射现象发生。也就是说，,散射是无穷多微粒衍射光波的非相干叠加结果,。,散射与衍射的区别：,为什么天空是蓝的、旭日和夕阳是红的、而白云是白的？,I,=,I,0,e,s,l,（,s,：散射系数）,意义：介质因散射和吸收对透射光强的减弱具有类似的规律,注意：对于一般介质，如果同时存在者散射和吸收，且吸收系数为,，则实,际透射光强度为：,I,=,I,0,e,(,+,s,),l,说明：通过测量透射光强与入射光强之比值所得到的介质的损耗系数中，,同时包含了吸收和散射的贡献。,(2),散射定律,由瑞利散射定律可以解释大气的散射现,象。由于散射光强度反比于波长的四次,方，故,短波较长波更容易引起散射，而,长波比短波有较强的穿透力,。,瑞利散射要求散射微粒的线度小于光波,波长，当散射微粒的线度接近或大于光,波波长时，如高空中云层的散射，瑞利,散射定律将不再适用。, 瑞利散射定律,当散射微粒的几何线度远小于波长时，散射过程不改变入射光的波,长，但,散射光的强度随入射光的波长不同而不同。若入射光谱强度分布,函数为,I,(,),，其侧向散射光的谱强度分布反比于,4,。,I,(,),4,I,s,(,) , 米氏散射,米氏散射：米氏根据电磁场方程计算了球形粒子的散射：,(a),散射粒子的横向几何线度与入射光波长之比很小时,（,2,a,/,0.3,），散,射光强与入射光波长的关系服从瑞利散射定律。,(b),当该比值较大,时，散射光强与波长的依赖关系逐渐减弱，当该比值增大,到一定程度后，散射光强随该比值的增大出现起伏。这种起伏的幅度亦,随该比值的增大而逐渐减小。,瑞利散射和米氏散射,散,射,几,率,米氏区,瑞,利,区,0.1,1,10,100,a,/,10,0.01,