13第六章 光的吸收、散射和色散

第六章光的吸收、散射和色散 课程的引入课程的引入: 前面各章主要讲授光的传播，从几何光学和波动光学探讨了物的成像和光的干涉、衍射； 除了研究在各向同性均匀媒质中光的传播，还研究了光在各向异性媒质中的传播，主要是光在单轴晶体内的传播，如双折射现象，光学偏振器，波晶片等； 其有一个共同的特点，即光在媒质内传光在媒质内传播的过程中，不存在能量的损失。播的过程中，不存在能量的损失。 除了真空，没有一种媒质在严格意义上对光波是绝对透明的，光通过媒质时，部分光被媒质吸收，另一部分光被散射，余下来的部分按原来的传播方向继续前进； 另一方面，不同波长的光在媒质中有不同的传播速度，即媒质对不同波长的光有不同的折射率；一束白光或多色光只要入射角不为零，不同波长的光就会按不同折射角而散开，这就是色散（如以前所讲过的三棱镜的色散）。 光的吸收、色散和散射是光在媒质中传播所发生的普遍现象，它们之间是相互联系的，研究这类现象，一方面可以了解光与物质的相互作用，有助于对光的本性的进一步了解，也可以得到许多有关物质结构的重要知识，促进应用光学的进一步发展。6.26.2 光的吸收光的吸收一般吸收一般吸收吸收比较弱，基本不随波长而变化。吸收比较弱，基本不随波长而变化。选择吸收选择吸收吸收比较强，随波长发生急剧变化。吸收比较强，随波长发生急剧变化。一、一、一般吸收和选择吸收一般吸收和选择吸收自然界的物质都具有自然界的物质都具有选择吸收，理想的一般吸收不存在，选择吸收，理想的一般吸收不存在，只能在一小段范围内。只能在一小段范围内。 I一般吸收区域一般吸收区域选择吸收区域选择吸收区域(nm)I(a.u.)(nm)I(a.u.)样样品品 若物质对各种波长的吸收程度几乎相等，即吸收系数与无关。 在可见光范围内，意味着光束通过媒质后只改变强度，不改变颜色。如：空气、纯水、无色玻璃等媒质。三、光的吸收与波长的关系三、光的吸收与波长的关系1、普遍吸收：、普遍吸收：若物质对各种波长的吸收程度几乎相等，即吸收系数与无关。 在可见光范围内，意味着光束通过媒质后只改变强度，不改变颜色。如：空气、纯水、无色玻璃等媒质。2、选择吸收：、选择吸收：若物质对某些波长的光吸收特别强烈。 由于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见光进行选择吸收的结果。(nm)I(a.u.)样样品品选择吸收：选择吸收：若物质对某些波长的光吸收特别强烈。 由于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见光进行选择吸收的结果。(nm)I(a.u.)吸收的线性规律吸收的线性规律 光的强度随穿进媒质的深度而减小，这种现象称为媒质对光的吸收。 二、二、朗伯定律朗伯定律吸收的线性规律吸收的线性规律朗伯定律朗伯定律 单色平行光束沿X方向通过均匀媒质，光的强度在经过厚度为dx的一层媒质时： I IdII0II-dIdxxx+dxlx实验表明：在光强范围内 dI Idx 令： dI = Idx 与I无关，与波长有关。称为吸收系数写成指数关系式为： I=I0el 此称为朗伯定律朗伯定律。 吸收系数吸收系数化学上：化学上：lCAeII0C C溶液浓度溶液浓度A A 与溶质性质有关与溶质性质有关1.与媒质有关与媒质有关2.与波长有关与波长有关一般吸收区域一般吸收区域 小，基本不变小，基本不变 选择吸收区域选择吸收区域 大，大，随波长急剧变化随波长急剧变化三、三、吸收光谱吸收光谱 朗伯定律是吸收光谱的基本原理。入射的有连续波长分朗伯定律是吸收光谱的基本原理。入射的有连续波长分布的光，透过物质后，在选择吸收区域，有些波长范围的光布的光，透过物质后，在选择吸收区域，有些波长范围的光被强烈吸收，形成被强烈吸收，形成吸收光谱吸收光谱反映原子、分子结构特征反映原子、分子结构特征原子光谱、红外光谱原子光谱、红外光谱a)(nm 地球大气层对可见光和波长3000A以上的紫外线是透明的，波长短于3000A的紫外线将被空气中的臭氧层强烈吸收。 对于红外辐射，大气层在某些狭窄的波段内是透明的，透明的波段称为“大气窗口”。 例：35um和814um是大气的两个窗口。利用这两个窗口，可以实现红外遥感和遥测，天气预报测量，军事领域可以进行红外制导和红外跟踪。oo观察吸收光谱的试验装置刚玉红宝石白宝石三基色三基色彩色显示器显示单元彩色显示器显示单元XYZ色度图色度图 当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。 例如，当一束太阳光从窗外射进室内时，我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故。 6.36.3 光的散射光的散射光的散射光的散射光束通过光学性质不均匀的物质时，光束通过光学性质不均匀的物质时， 向侧向传播的现象。向侧向传播的现象。原传播方向上的光强：原传播方向上的光强：lleIeIIsa00 a a吸收系数，吸收系数， s s散射系数散射系数一、一、非均匀介质中的散射非均匀介质中的散射二、二、散射和反射、漫射和衍射现象的区别散射和反射、漫射和衍射现象的区别反射反射理想界面，物体线度远大于波长。理想界面，物体线度远大于波长。漫射漫射非理想界面，可看成许多无规小镜面，非理想界面，可看成许多无规小镜面， 向各方向反射。向各方向反射。衍射衍射个别不均匀区域造成的，线度可与光的个别不均匀区域造成的，线度可与光的 波长相比拟。波长相比拟。散射散射大量，无规则排列，不均匀小区域集合造成大量，无规则排列，不均匀小区域集合造成 的的, ,线度可比光的波长小，且小区域间发生不相干叠加。线度可比光的波长小，且小区域间发生不相干叠加。散射类型散射类型 1、 瑞利散射瑞利散射 发生于混浊介质中。原因是在混浊介质中包含许多线度发生于混浊介质中。原因是在混浊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比波长更小的、折射率不同的其他物质的微粒 2 、分子散射、分子散射 发生于表面看来均匀纯净的介质中。即使十分纯净的液发生于表面看来均匀纯净的介质中。即使十分纯净的液 体体或气体，也能产生比较微弱的散射，这是由于分子热运动造成或气体，也能产生比较微弱的散射，这是由于分子热运动造成密度的局部涨落引起的，这种散射，称为分子散射，物质处临密度的局部涨落引起的，这种散射，称为分子散射，物质处临界点时密度张落很大，光线照射在其上，就会发生强烈的分子界点时密度张落很大，光线照射在其上，就会发生强烈的分子散射。散射。三、三、瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射线度小于光的波长的微粒对入射光线度小于光的波长的微粒对入射光 的散射现象。的散射现象。41I散射光强度：散射光强度：瑞利定律瑞利定律 瑞利定律的适用条件是散射体的尺度比光的瑞利定律的适用条件是散射体的尺度比光的波长小，波长小， 较大颗粒对光的散射不遵从瑞利的较大颗粒对光的散射不遵从瑞利的的的四次方反比律。四次方反比律。问：天空为什么是蓝的？ 首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光的结果。如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，将的结果。如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象是宇航看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象是宇航员司空见惯了的。由于大气的散射，将阳光从各个方向射员司空见惯了的。由于大气的散射，将阳光从各个方向射向观察者，我们才看到了光亮的天穹，向观察者，我们才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光按瑞利定律，白光中的短波成分（蓝紫色）遭到散射比长波成分（红黄色）中的短波成分（蓝紫色）遭到散射比长波成分（红黄色）强烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚蓝色。强烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚蓝色。旭日和夕阳为什么是红的？云 由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余较多的自然是长波成分了。早直射的日光中剩余较多的自然是长波成分了。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，经历大气层的晚阳光以很大的倾角穿过大气层，经历大气层的厚度要比中午时大得多，从而大气的散射效应也厚度要比中午时大得多，从而大气的散射效应也要强烈得多，这便是旭日初升时颜色显得特别殷要强烈得多，这便是旭日初升时颜色显得特别殷红的原因。红的原因。 白云是大气中的水滴组成的，因为这些白云是大气中的水滴组成的，因为这些水滴的半径与可见光的波长相比已不算太小水滴的半径与可见光的波长相比已不算太小了，瑞利定律不再适用，这样大小的物质产了，瑞利定律不再适用，这样大小的物质产生的散射与波长的关系不大，这就是云雾呈生的散射与波长的关系不大，这就是云雾呈白色的缘故。白色的缘故。 云为什么是白的？4、散射光的偏振特性：、散射光的偏振特性：白光通过浑浊物质时，沿z 方向，散射光呈青蓝色，沿x方向，散射光呈红色。为什么用红色信号灯，遥感技为什么用红色信号灯，遥感技术采用红外线。术采用红外线。 定义：光通过介质时，传播速度随频率（波长）而变化，因而定义：光通过介质时，传播速度随频率（波长）而变化，因而不同波长的光具有不同的折射率值的现象。不同波长的光具有不同的折射率值的现象。 41 色散现象与经典电磁理论的矛盾色散现象与经典电磁理论的矛盾由麦克斯韦方程组可得：由麦克斯韦方程组可得：rrrrrvcncvc,100 由此可得由此可得 n 与频率与频率 、波长波长 无关。无关。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。原因。 物质的色散特性可用角色散率物质的色散特性可用角色散率D描述：描述：ddD 42 色散曲线和光谱色散曲线和光谱 实验中用正交棱镜观察法测量色散曲线，参见图。实验中用正交棱镜观察法测量色散曲线，参见图。色散曲线：色散曲线：牛顿正交棱镜实验 n柯希公式牛顿正交棱镜实验牛顿正交棱镜实验n正常色散的科希公式（经验公式）42CBAn通常可以取前两项2BnAA，B，C是与材料有关的常数色散曲线的特点：色散曲线的特点： 1、随着波长值的变大，折射率值减小。、随着波长值的变大，折射率值减小。 2、短波段色散曲线斜率较大，角色散率较大。、短波段色散曲线斜率较大，角色散率较大。 3、波长一定，介质的折射率越大，色散曲线斜率越大。、波长一定，介质的折射率越大，色散曲线斜率越大。特点：特点：1、光谱线是非均匀排布的。、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、短波段的角色散率比长波段的大 3、折射率大则角色散率大，光谱展开得宽、折射率大则角色散率大，光谱展开得宽色散光谱：色散光谱：利用摄谱仪拍摄了几种物质的色散光谱如下：利用摄谱仪拍摄了几种物质的色散光谱如下：吸收带n反常色散 实验表明，在强烈吸收的波段，色散曲线的形状与正常色散曲线大不相同，产生严重的扭曲或割断现象，此称为反常色散。 反常色散是任何物质在吸收线（或吸收带）附近所共有的现象，本无所谓“正常”和 “反常”，只是历史上曾这样称呼而沿用下来的。石英晶体在红外区域中的反常色散特性曲线