11

Chap.6 AbsorptionChap.6 Absorption 、、 ScatteriScattering and Dispersion of Lightng and Dispersion of Light

主讲人：尹国盛 教授主讲人：尹国盛 教授河南大学物理与信息光电子学院河南大学物理与信息光电子学院

22

• 光通过物质时其传播情况就会发生变化：光通过物质时其传播情况就会发生变化：• ⒈ ⒈ 光束越深入物质，强度将越减弱；光束越深入物质，强度将越减弱；

① ① 光的能量被物质吸收——光的吸收；光的能量被物质吸收——光的吸收； ② ② 光向各个方向散射——光的散射。光向各个方向散射——光的散射。

• ⒉ ⒉ 光在物质中传播的速度将小于真空中光在物质中传播的速度将小于真空中的速度且随频率而变化——光的色散。的速度且随频率而变化——光的色散。

• —— —— 光和物质的相互作用是不同物质光光和物质的相互作用是不同物质光学性质的主要表现——光和原子中电子的学性质的主要表现——光和原子中电子的相互作用相互作用 ..

33

主 要 内 容主 要 内 容

• 6.1 6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释电偶极辐射对反射和折射现象的解释• 6.2 6.2 光的吸收 光的吸收 • 6.3 6.3 光的散射 光的散射 • 6.4 6.4 光的色散光的色散• 6.5 6.5 色散的经典理论色散的经典理论

44

6.1 6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释电偶极辐射对反射和折射现象的解释

•电偶极子模型——可以解释：光在均匀各电偶极子模型——可以解释：光在均匀各向同性物质中直线传播，光在两种物质界向同性物质中直线传播，光在两种物质界面上的反射定律、折射定律、布儒斯特定面上的反射定律、折射定律、布儒斯特定律、光的传播速度……律、光的传播速度……

55

6.2 6.2 光的吸收 光的吸收

•一、一般吸收和选择吸收 一、一般吸收和选择吸收

•二、朗伯定律 二、朗伯定律

•三、吸收光谱 三、吸收光谱

66

一、一般吸收和选择吸收 一、一般吸收和选择吸收

• 所有物质对某些范围内的光都是透明的，所有物质对某些范围内的光都是透明的，而对另一些范围的光却是不透明的。而对另一些范围的光却是不透明的。

• ①① 一般吸收：吸收很少，并且在某一给定一般吸收：吸收很少，并且在某一给定波段内几乎是不变的；——可见光（石英）波段内几乎是不变的；——可见光（石英）

• ② ② 选择吸收：吸收很多，并且随波长而剧选择吸收：吸收很多，并且随波长而剧烈地变化。——红外光（烈地变化。——红外光（ 3.53.5 ～～ 5.05.0µmµm ））

•任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。

77

二、朗伯定律 二、朗伯定律 ⒈⒈ 朗伯定律朗伯定律

• 光能→振动能→平动能→热能光能→振动能→平动能→热能

⒉⒉ 比尔定律比尔定律

ae

I

dIdx

I

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I

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Iln

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稀溶液溶液的浓度

与浓度无关的常数吸收系数

    

      ACle

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C:

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C

稀溶液溶液的浓度

与浓度无关的常数吸收系数

88

三、吸收光谱 三、吸收光谱 • 产生连续光谱的光源所发出的光，通过产生连续光谱的光源所发出的光，通过

有选择吸收的介质后，用分光计可以看出某有选择吸收的介质后，用分光计可以看出某些线段或某些波长的光被吸收，这就形成了些线段或某些波长的光被吸收，这就形成了吸收光谱。吸收光谱。

• 吸收光谱在化学、国防、气象等部门有吸收光谱在化学、国防、气象等部门有广泛的应用。广泛的应用。

99

6.3 6.3 光的散射 光的散射

• 一、散射的基本概念一、散射的基本概念• 二、散射与反射、漫反射及衍射现象的区别二、散射与反射、漫反射及衍射现象的区别• 三、瑞利散射三、瑞利散射• 四、散射光的偏振性四、散射光的偏振性• 五、散射光的强度五、散射光的强度• 六、分子散射 六、分子散射

1010

6.3 6.3 光的散射光的散射•一、散射的基本概念一、散射的基本概念• 1.1. 定义：当光束通过光学性质不均匀的物定义：当光束通过光学性质不均匀的物

质时从侧向却可以看到光的现象，称为光质时从侧向却可以看到光的现象，称为光的散射。的散射。

1111

• 2.2. 分类：分类：

• ①①

• ②② 按不均匀团块性质按不均匀团块性质

布里渊散射

受激拉曼散射自发拉曼散射

拉曼散射非线性

米氏散射：线度瑞利散射：线度

线性

线度

10/

的运动造成局部涨落引起分子散射：由于分子热的大气等乳胶液，含有烟雾灰尘延德尔系散射：胶体，

的运动造成局部涨落引起分子散射：由于分子热的大气等乳胶液，含有烟雾灰尘延德尔系散射：胶体，

的运动造成局部涨落引起分子散射：由于分子热的大气等乳胶液，含有烟雾灰尘延德尔系散射：胶体，廷廷

的运动造成局部涨落引起分子散射：由于分子热的大气等乳胶液，含有烟雾灰尘延德尔系散射：胶体，

1212

⒊ ⒊ 规律：规律：

－衰变系数＋＝散射系数吸收系数

0

0

0

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0

0

s

s

leIeII s

aa

1313

二、散射与反射、漫反射及衍射现象的区别二、散射与反射、漫反射及衍射现象的区别• 1.1. 散射与直射、反射及折射的区别——“次散射与直射、反射及折射的区别——“次

波”发射中心排列的不同波”发射中心排列的不同• 散射时无规则，而后者有规则。散射时无规则，而后者有规则。

2.2. 散射与漫反射的区别：——次波中心的排散射与漫反射的区别：——次波中心的排列仍有某些不同的方向性列仍有某些不同的方向性

• 3.3. 散射与衍射的区别：散射与衍射的区别： 衍射：因个别的不均匀区域（孔、缝、小障 衍射：因个别的不均匀区域（孔、缝、小障碍等）所形成的，不均匀区域范围大小≈碍等）所形成的，不均匀区域范围大小≈。。 散射：大量排列不规则的非均匀小“区域” 散射：大量排列不规则的非均匀小“区域”的集合所形成的，非均匀小区域的线度的集合所形成的，非均匀小区域的线度 << 。。

1414

三、瑞利散射三、瑞利散射 1. 1. 瑞利散射： 瑞利散射： < < 的微粒对入射光的散射现象。的微粒对入射光的散射现象。

2. 2. 瑞利定律：散射光强度与波长的四次方成反比，瑞利定律：散射光强度与波长的四次方成反比， 即： 即： II==f f (() ) -4-4

• f f (()——)—— 光源中强度按波长的分布函数光源中强度按波长的分布函数3.3. 应用：红光散射弱、穿透力强（信号旗、信号应用：红光散射弱、穿透力强（信号旗、信号灯）灯）→→红外线（遥感等） 红外线（遥感等）

l

1515

四、散射光的偏振性四、散射光的偏振性• 各向同性介质：各向同性介质：• 入射光是自然光，正侧方入射光是自然光，正侧方

向——线偏振，斜方向——线偏振，斜方 cc —— —— 部部分偏振，正对分偏振，正对 xx —— —— 自然光自然光 ..

• 各向异性介质：各向异性介质：• 入射光是线偏振光，侧向入射光是线偏振光，侧向• ———— 部分偏振部分偏振 ..• 偏振度：偏振度：

pII

IIp

yx

xy

1,退偏振度：

1616

五、散射光的强度五、散射光的强度•散射光的强度散射光的强度

—— —— CO CO 与 与 OX OX 轴之间的夹角 。轴之间的夹角 。

)cos1(,,cos 2

00

2 IIIIIIyCZ

1717

六、分子散射 六、分子散射 • 晴朗的天空呈浅蓝色、清晨日出和傍晴朗的天空呈浅蓝色、清晨日出和傍

晚日落太阳呈红色。晚日落太阳呈红色。• 白昼的天空是亮的、云雾呈白色等。白昼的天空是亮的、云雾呈白色等。

1818

6.4 6.4 光的色散光的色散

•一、色散的特点 一、色散的特点

•二、正交棱镜观察法 二、正交棱镜观察法

•三、正常色散与反常色散三、正常色散与反常色散

1919

一、色散的特点一、色散的特点

• 1. 1. 色散光谱（由棱镜折射而成）是非匀排色散光谱（由棱镜折射而成）是非匀排的，衍射光谱（光栅）的谱线是匀排的。的，衍射光谱（光栅）的谱线是匀排的。

• 2. 2. 各种物质的色散没有简单的关系。各种物质的色散没有简单的关系。

2020

3.3. 同一种物质在不同波长区的角色散率有不同的同一种物质在不同波长区的角色散率有不同的值：值：

• • • 它是两个因数的乘积：第一个因数主要与棱镜它是两个因数的乘积：第一个因数主要与棱镜

的棱角的棱角 AA 有关，第二个因数有关棱镜物质的色有关，第二个因数有关棱镜物质的色散特性。散特性。

• 要研究色散，重要的是找 在各波长区的要研究色散，重要的是找 在各波长区的值，或者找出值，或者找出 nn==ff（（ λλ ）的函数形式。）的函数形式。

d

dn

An

A

d

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2(sin1

)2sin(2

22

ddn

））

2121

二、正交棱镜观察法 二、正交棱镜观察法

——显示色散最清楚的方法——显示色散最清楚的方法

2222

三、正常色散与反常色散三、正常色散与反常色散• 1. 1. 正常色散正常色散 :: 波长越短折射率越大的色散。 波长越短折射率越大的色散。 • 柯西方程：柯西方程：

•经验公式，经验公式， aa 、、 bb 、、 cc 为常数。为常数。 一般： 一般：

•色散曲线的特点：色散曲线的特点： ①波长越短，折射率越大； ①波长越短，折射率越大； ②波长越短， 越大，角色散率也越大； ②波长越短， 越大，角色散率也越大；

• ③ ③ 在波长一定时，不同物质的折射率越大， 在波长一定时，不同物质的折射率越大， 也越大； 也越大； ④不同物质的色散曲线没有简单的相似关系 ④不同物质的色散曲线没有简单的相似关系 . .

42 cb

an

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2323

• 2.2. 反常色散：波长越短，折射率越小的色散反常色散：波长越短，折射率越小的色散 ..• 孔脱定律：反常色散总是与光的吸收有密孔脱定律：反常色散总是与光的吸收有密切联系。切联系。

• “ “ 反常”色散实际上也是很普遍的，“反反常”色散实际上也是很普遍的，“反常”并不反常，“反常”色散和“正常”色散常”并不反常，“反常”色散和“正常”色散仅是历史上的名词。仅是历史上的名词。

2424

6.5 6.5 色散的经典理论色散的经典理论

• 介质的色散表示介质对于不同波长的入介质的色散表示介质对于不同波长的入射光有不同的折射率，即：不同频率的光波射光有不同的折射率，即：不同频率的光波在介质中的传播速度不同。 在介质中的传播速度不同。

• λλ 不同 → 不同 → nn 不同，不同，• 即：即： 不同 → 不同 → 不同。不同。

2525

作 业作 业

阅读： 阅读： P 375P 375 ～～ 404404

习题： 习题： P 404P 404 ～～ 405 2 405 2 、、 4 4 、、 99

选作： 选作： P 405 8P 405 8

2626

讨论题（讨论题（ 66 ） ）

1.1. 光通过物质时，它的传播情况会发生哪些光通过物质时，它的传播情况会发生哪些变化？这些变化会表现出哪些现象？变化？这些变化会表现出哪些现象？

2.2. 光的吸收、散射和色散三种现象都是由啥光的吸收、散射和色散三种现象都是由啥引起的？实质上是由啥引起的？引起的？实质上是由啥引起的？

3.3. 光的吸收有哪两种？光的吸收有哪两种？ 4.4. 朗伯定律和比尔定律的数学表达式为何？朗伯定律和比尔定律的数学表达式为何？

2727

5.5. 什么是瑞利散射？瑞利定律如何表述？什么是瑞利散射？瑞利定律如何表述？ 6.6. 为什么晴朗的天空呈浅蓝色？为什么晴朗的天空呈浅蓝色？ 7.7. 清晨日出或傍晚日落时，看到的太阳呈红清晨日出或傍晚日落时，看到的太阳呈红

色，这是什么缘故？色，这是什么缘故？ 8.8. 红光和蓝光通过薄雾时，谁的散射较强？红光和蓝光通过薄雾时，谁的散射较强？ 9.9. 光的色散有哪两种？显示色散最清楚的方光的色散有哪两种？显示色散最清楚的方

法是什么？法是什么？ 10.10. 柯西方程是怎样表示的？孔脱定律是如柯西方程是怎样表示的？孔脱定律是如

何表述的？何表述的？

2828

讨论题答案（讨论题答案（ 66 ）） 1.1. 答：（答：（ 11 ）光通过物质时，它的传播情况会）光通过物质时，它的传播情况会

发生两种变化：一是，光束愈深入物质，强发生两种变化：一是，光束愈深入物质，强度将愈减弱；二是，光在物质中传播的速度度将愈减弱；二是，光在物质中传播的速度将小于真空中的速度，且随频率而变化。将小于真空中的速度，且随频率而变化。（（ 22 ）这些变化会表现出光的吸收、散射和）这些变化会表现出光的吸收、散射和色散三种现象。色散三种现象。

2.2. 答：（答：（ 11 ）光的吸收、散射和色散三种现象）光的吸收、散射和色散三种现象都是由光和物质的相互作用引起的。 都是由光和物质的相互作用引起的。 （（ 22 ）实质上是由光和原子中的电子相互作）实质上是由光和原子中的电子相互作用引起的。用引起的。

3.3. 答：光的吸收有一般吸收和选择吸收两种。答：光的吸收有一般吸收和选择吸收两种。

2929

4.4. 答：朗伯定律和比尔定律的数学表达式分答：朗伯定律和比尔定律的数学表达式分别为：别为：

• 和 。和 。 5.5. 答：（答：（ 11 ）线度小于光的波长的微粒对入）线度小于光的波长的微粒对入

射光的散射现象通常称为瑞利散射。 射光的散射现象通常称为瑞利散射。 （（ 22 ）瑞利定律表述为：散射光强度与波）瑞利定律表述为：散射光强度与波长的四次方成反比，即：长的四次方成反比，即：

• I I = = f f (() ) - 4 - 4 。。 6.6. 答：因为光的散射。 答：因为光的散射。

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3030

7.7. 答：光的散射。答：光的散射。 8.8. 答：蓝光。答：蓝光。 9.9. 答：正常色散与反常色散；答：正常色散与反常色散； 正交棱镜观察法 。正交棱镜观察法 。 10.10. 答：柯西方程为： ；答：柯西方程为： ； 孔脱定律：反常色散总是与光的吸收有孔脱定律：反常色散总是与光的吸收有

密切联系。 密切联系。

42 cb

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