光的吸收、色散和散射.ppt
13-12 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射 一、光的吸收一、光的吸收 光波在物质中传播时，其一部分能量被转变为物质光波在物质中传播时，其一部分能量被转变为物质的内能，这种现象就是物质对的内能，这种现象就是物质对光的吸收光的吸收。1.物质对光的吸收的一般规律物质对光的吸收的一般规律 实验表明实验表明：光强度的变化为：光强度的变化为式中式中 是比例系数，称为该物质对此单色光的是比例系数，称为该物质对此单色光的吸收系数吸收系数。上式改写为上式改写为 积分得积分得 这表示，由于物质对光的吸收，随着光进入物质的这表示，由于物质对光的吸收，随着光进入物质的深度的增加，光的强度按指数方式衰减。这个规律深度的增加，光的强度按指数方式衰减。这个规律称为称为朗伯定律朗伯定律。对于激光光束，朗伯定律不再适用。对于激光光束，朗伯定律不再适用。1实验表明实验表明：溶液对光的吸收与溶溶液对光的吸收与溶 液的浓度有关，即液的浓度有关，即于是朗伯定律可以表示为于是朗伯定律可以表示为 式中式中A是与溶液浓度是与溶液浓度C无关的常量。上所表示的规无关的常量。上所表示的规律称为律称为比尔定律比尔定律。这正是吸收光谱分析的原理。这正是吸收光谱分析的原理。注意：比尔定律只有在溶质分子对光的吸收本领不注意：比尔定律只有在溶质分子对光的吸收本领不受周围分子影响的条件下才是正确的。受周围分子影响的条件下才是正确的。2.选择吸收和吸收光谱选择吸收和吸收光谱 物质对光的吸收与光的波长物质对光的吸收与光的波长 无关的，称为无关的，称为普遍吸收普遍吸收。物质对光的吸收对某些波长的光的吸收特别强烈称物质对光的吸收对某些波长的光的吸收特别强烈称为为选择吸收选择吸收。2具有连续谱的光具有连续谱的光(白光白光)通过有选择吸收的物质后，通过有选择吸收的物质后，再经光谱仪分析，可显示出某些波段的光或某些波再经光谱仪分析，可显示出某些波段的光或某些波长的光被吸收的情况，这就是长的光被吸收的情况，这就是吸收光谱吸收光谱。太阳光经过大气层时的吸收光谱太阳光经过大气层时的吸收光谱原子吸收光谱具有很高的原子吸收光谱具有很高的灵敏度，所以近几十年来，灵敏度，所以近几十年来，在定量分析中原子吸收光在定量分析中原子吸收光谱得到了越来越广泛的应谱得到了越来越广泛的应用。不少新元素都是用这用。不少新元素都是用这种方法发现的。种方法发现的。二、光的色散二、光的色散 光在物质中传播速度光在物质中传播速度v随波长随波长 而改变的现象，称为而改变的现象，称为光的色散光的色散。因为因为 折射率随波长变化，折射率随波长变化，即即上式所表示的关系曲线，也就是折射率随波长的变化曲线，上式所表示的关系曲线，也就是折射率随波长的变化曲线，称为称为色散曲线色散曲线。色散率常用。色散率常用dn/d来表征。来表征。3 在在普普遍遍吸吸收收波波段段内内物物质质表表现现出出正正常常色色散散；在在选选择择吸吸收收波波段段附近和选择吸收波段内物质表现出反常色散。附近和选择吸收波段内物质表现出反常色散。图中为几种物质在可见光区域附近图中为几种物质在可见光区域附近 所表现出的正常色散的色散曲线。所表现出的正常色散的色散曲线。正常色散的规律可以用正常色散的规律可以用 科希公式科希公式来描述来描述 式中式中A、B和和C是由物质性质决定的常量，其值由实验确定。是由物质性质决定的常量，其值由实验确定。若波长的变化范围不大，若波长的变化范围不大，科希公式可只取前两项，科希公式可只取前两项，即即这时色散率可以表示为这时色散率可以表示为 4在吸收波段附近和吸收波在吸收波段附近和吸收波段内物质所表现段内物质所表现出的与出的与科科希公式推断的结果希公式推断的结果不同的不同的色散，称为色散，称为反常色散反常色散。图中图中QR段段为实际值，为实际值，虚线虚线QS是按照科希公式推断的结果。是按照科希公式推断的结果。三、光的散射三、光的散射 物质中存在的不均匀团块使进入物质的光偏离入射物质中存在的不均匀团块使进入物质的光偏离入射方向而向四面八方散开，这种现象称为方向而向四面八方散开，这种现象称为光的散射光的散射，向四面八方散开的光，就是向四面八方散开的光，就是散射光散射光。同时考虑吸收和散射同时考虑吸收和散射时，光强为时，光强为式中式中 是物质的是物质的散射系数散射系数。可以把。可以把 +称为称为消光系数。消光系数。51.1.瑞利散射瑞利散射 米和德拜对光散射的研究证明，引起光散射的不均米和德拜对光散射的研究证明，引起光散射的不均匀团块的尺度不同，散射的规律不一样。匀团块的尺度不同，散射的规律不一样。引起光散射的不均匀团块看为半径为引起光散射的不均匀团块看为半径为a的球形颗粒，的球形颗粒，入射光的波长为入射光的波长为，当，当2 a/0.3时，散射过程时，散射过程遵从遵从瑞利散射定律瑞利散射定律，即散射光强与，即散射光强与 4成反比。成反比。瑞利散射的不均匀团块分为两类：瑞利散射的不均匀团块分为两类：一类是乳浊液中的固体微粒、大气中的烟、雾或一类是乳浊液中的固体微粒、大气中的烟、雾或灰尘等，称为灰尘等，称为悬浮质点散射悬浮质点散射。另一类是纯净的液体或气体，称为另一类是纯净的液体或气体，称为分子散射分子散射。如：如：蔚蓝色蔚蓝色的天空，的天空，红色旭日和夕阳都是大气对阳红色旭日和夕阳都是大气对阳光的散射的结果。光的散射的结果。6 实验发现，自然光被散射的情况下，在垂直入射方向上，散实验发现，自然光被散射的情况下，在垂直入射方向上，散射光是线偏振光，在原入射方向及其逆方向上，散射光仍是射光是线偏振光，在原入射方向及其逆方向上，散射光仍是自然光，而在其他方向上，散射光是部分偏振光。同时，在自然光，而在其他方向上，散射光是部分偏振光。同时，在垂直于入射方向上散射光的强度，等于原入射方向及其逆方垂直于入射方向上散射光的强度，等于原入射方向及其逆方向上散射光强度的一半。向上散射光强度的一半。2.拉曼散射拉曼散射 在散射光中出现与入射光频率不同的散射光在散射光中出现与入射光频率不同的散射光，这种现，这种现象称为象称为拉曼散射拉曼散射。拉曼散射光谱的特征：拉曼散射光谱的特征：(1)在与入射光角频率在与入射光角频率 0 相同的散射谱线相同的散射谱线(瑞利散射线瑞利散射线)两侧，两侧，对称地分布着角频率为对称地分布着角频率为 0 1,0 2,的散射谱线，长波的散射谱线，长波一侧一侧(角频率为角频率为 0 1,0 2,)的谱线称为的谱线称为红伴线红伴线或或斯斯托克斯线托克斯线，在短波一侧，在短波一侧(角频率为角频率为 0+1,0+2,)的谱线的谱线称为称为紫伴线紫伴线或或反斯托克斯线反斯托克斯线；7(2)角频率差角频率差 1,2,与散射物质的红外吸收角与散射物质的红外吸收角频率相对应，表征散射物质的分子振动角频率，而频率相对应，表征散射物质的分子振动角频率，而与入射光的角频率与入射光的角频率 0无关。无关。拉曼散射为研究分子结构、分子的对称性和分子拉曼散射为研究分子结构、分子的对称性和分子内部的作用力等提供了重要的分析手段。它已成为内部的作用力等提供了重要的分析手段。它已成为分子光谱学中红外吸收方法的重要补充。分子光谱学中红外吸收方法的重要补充。8
