第六章-光的吸收、散射和色散..优秀PPT.ppt

第六章光的吸取、散射和色散（Adsorption Scattering and Dispersion of Light）光束越深化物质，强度将越减弱；光束越深化物质，强度将越减弱；光通过物质时其传播状况就会发生变更：光通过物质时其传播状况就会发生变更：光在物质中传播的速度将小于真空中的速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更度且随频率而变更光的色散。光的色散。光的能量被物质吸取光的能量被物质吸取光的吸取；光的吸取；光向各个方向散射光向各个方向散射光的散射。光的散射。6.1 电偶极辐射对反射、折射现象的说明1 1 1 1、电偶极子模型（志向模型）、电偶极子模型（志向模型）、电偶极子模型（志向模型）、电偶极子模型（志向模型）用一组简谐振子来代替实际物质的分子，每一用一组简谐振子来代替实际物质的分子，每一用一组简谐振子来代替实际物质的分子，每一用一组简谐振子来代替实际物质的分子，每一振子可认为振子可认为振子可认为振子可认为 是一个电偶极子，由两个电量相等，符号相反的是一个电偶极子，由两个电量相等，符号相反的是一个电偶极子，由两个电量相等，符号相反的是一个电偶极子，由两个电量相等，符号相反的带电粒子带电粒子带电粒子带电粒子 组成，电偶极子之间有准弹性力作用，能作简谐组成，电偶极子之间有准弹性力作用，能作简谐组成，电偶极子之间有准弹性力作用，能作简谐组成，电偶极子之间有准弹性力作用，能作简谐振动。振动。振动。振动。两种振子：两种振子：两种振子：两种振子：电子振子：核假定不参与运动，准弹力的中心。电子振子：核假定不参与运动，准弹力的中心。电子振子：核假定不参与运动，准弹力的中心。电子振子：核假定不参与运动，准弹力的中心。分子振子：质量较大的一个粒子可认为不参与运分子振子：质量较大的一个粒子可认为不参与运分子振子：质量较大的一个粒子可认为不参与运分子振子：质量较大的一个粒子可认为不参与运动动动动电偶极子模型电偶极子模型2 2、电偶极辐射对反射和折射现象的初步说明、电偶极辐射对反射和折射现象的初步说明说明说明1 1：各向同性匀整物质中的直线传播：各向同性匀整物质中的直线传播说明说明2 2：反射与折射：反射与折射说明说明3 3：布儒斯特定律：布儒斯特定律6.2 光的吸取（Absorption of Light）1一般吸取和选择吸取（normal absorption&selective absorption）吸取很少，且在某一给定波段内几乎不变。吸取很多，且随波长而猛烈地变更。例如石英对可见光吸收甚微，但是对3.55.0 的红外光却猛烈吸取。一般吸收 选择吸收 6.1 光的吸取光的吸取6.2 光的吸取（Absorption of Light）2朗伯定律 能量观点稀溶液：，式中A是一个与浓度无关d的常量，C为溶液的浓度。，为吸收系数 6.2 光的散射光的散射 Scattering of Light光线通过匀整的透亮介质光线通过匀整的透亮介质(如玻璃、空气、清水）如玻璃、空气、清水）时，从侧面是难以看到光线的。假如介质不匀整，时，从侧面是难以看到光线的。假如介质不匀整，如有悬浮微粒的浑浊液体，我们便可从侧面清晰如有悬浮微粒的浑浊液体，我们便可从侧面清晰地看到光束的轨迹，这是介质中的不匀整性使光地看到光束的轨迹，这是介质中的不匀整性使光线朝四面八方散射的结果。线朝四面八方散射的结果。定义：由于介质中存在的微小粒子或分子对光的定义：由于介质中存在的微小粒子或分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向或波长发生变作用，使光束偏离原来的传播方向或波长发生变更，向四周传播的现象，称为光的散射。更，向四周传播的现象，称为光的散射。光的散射可分为两大类：光的散射可分为两大类：散射光的波长不变散射光的波长不变散射光的波长改变散射光的波长改变瑞利散射瑞利散射米氏散射米氏散射拉曼散射（拉曼散射（Raman1928）布里渊散射布里渊散射Brillouin1921瑞利散射：散射粒子的线度小于光的波长的特别之瑞利散射：散射粒子的线度小于光的波长的特别之一，则称为。一，则称为。米氏散射：米氏散射：散射粒子的线度与光波长同量级或大于散射粒子的线度与光波长同量级或大于光波波长的散射，称为。光波波长的散射，称为。二二.瑞利散射定律瑞利散射定律光学性质不匀整的介质，可能是由于匀整物质中散布着光学性质不匀整的介质，可能是由于匀整物质中散布着折射率与它不同的其它物质的大量微粒，也可能是由于折射率与它不同的其它物质的大量微粒，也可能是由于物质本身的组成部分（粒子）的不规则聚集；物质本身的组成部分（粒子）的不规则聚集；早在早在1869年爱尔兰物理学家亭德尔年爱尔兰物理学家亭德尔(Tyndall，1820-1893)就对混浊介质的散就对混浊介质的散射现象做过大量的试验探讨。尤其对于线射现象做过大量的试验探讨。尤其对于线度小于波长的微粒。因此瑞利散射有时又度小于波长的微粒。因此瑞利散射有时又称亭德尔效应。称亭德尔效应。例如尘埃、烟（大气中散布着固态微粒）例如尘埃、烟（大气中散布着固态微粒）,雾（空气中散布雾（空气中散布着液态微粒），悬浮液（液体中悬浮着固态微粒），乳状液着液态微粒），悬浮液（液体中悬浮着固态微粒），乳状液（一种液体中悬浮着另一种液体而不能相互溶解），如水中（一种液体中悬浮着另一种液体而不能相互溶解），如水中加入几滴牛奶，等等。这样的物质称为混浊介质。加入几滴牛奶，等等。这样的物质称为混浊介质。在亭德尔的基础上，英国物理学家瑞利于在亭德尔的基础上，英国物理学家瑞利于1899年对小年对小粒子散射又进行了探讨。试验装置如图。粒子散射又进行了探讨。试验装置如图。透透射射光光散射光散射光检偏器检偏器探测器探测器试验发觉：从容器侧试验发觉：从容器侧面看到的散射光，带面看到的散射光，带有青蓝色，透射光则有青蓝色，透射光则带有红色。带有红色。瑞利（瑞利（Lord Rayleigh,1842-1919）1904年年诺贝尔物理学奖获得者诺贝尔物理学奖获得者进一步探讨表明，散射光的强度与光波波长的四次方进一步探讨表明，散射光的强度与光波波长的四次方成反比，可表示为：成反比，可表示为：称为瑞利散射定律称为瑞利散射定律依据瑞利散射定律，可以对前面的试验现象作出很好依据瑞利散射定律，可以对前面的试验现象作出很好的说明。的说明。假设白光中波长为假设白光中波长为720nm的红光与波的红光与波长为长为440nm的青蓝光具有相同的强度，的青蓝光具有相同的强度，由于两种波长之比为：由于两种波长之比为：所以散射光中，蓝光的强度与红光强度之比为：所以散射光中，蓝光的强度与红光强度之比为：可见散射光中蓝光的强度约为红光强可见散射光中蓝光的强度约为红光强度的度的7.2倍，因此透射光中所含的红光倍，因此透射光中所含的红光成分就较多，故带红色。成分就较多，故带红色。表面上看起来是纯净匀整的介质，由于分子的热运动表面上看起来是纯净匀整的介质，由于分子的热运动使分子密度有涨落而引起的散射，称为分子散射。分使分子密度有涨落而引起的散射，称为分子散射。分子散射也满足瑞利散射定律。子散射也满足瑞利散射定律。用以上的散射理论可以说明很多我们日常熟悉的自用以上的散射理论可以说明很多我们日常熟悉的自然现象，如天空为什么是蓝的？旭日和夕阳为什么然现象，如天空为什么是蓝的？旭日和夕阳为什么是红？以及云为什么是白？等等。是红？以及云为什么是白？等等。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。假如没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，的结果。假如没有大气，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。这景象是宇航员司空见惯了的。是宇航员司空见惯了的。按瑞利定律，由于大气的散射，白光中的短波成分按瑞利定律，由于大气的散射，白光中的短波成分（蓝紫色）遭到散射比紫色）遭到散射比长波成分（波成分（红黄色）猛烈得多，散黄色）猛烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚射光乃因短波的富集而呈蔚蓝色。所以每当大雨初色。所以每当大雨初霁、澄、澄清了清了尘埃的埃的时候，天空候，天空总是是蓝得特得特别美美丽可可爱，其道理就，其道理就在在这里里.旭日和夕阳呈红色，与天空呈蓝旭日和夕阳呈红色，与天空呈蓝色属于同一类现象，由于白光中色属于同一类现象，由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在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直射的日光中剩余较多的自然是长波成分了。长波成分了。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，经验大气层的厚度要比中午时大得经验大气层的厚度要比中午时大得多，从而大气的散射效应也要猛烈多，从而大气的散射效应也要猛烈得多，这便是旭日初升时颜色显得得多，这便是旭日初升时颜色显得特殊殷红的缘由。特殊殷红的缘由。因为红光透过散射物的穿透实力比蓝光强，因此通常状况因为红光透过散射物的穿透实力比蓝光强，因此通常状况下，危急信号灯、交通禁行灯等接受红色，使有关人员在下，危急信号灯、交通禁行灯等接受红色，使有关人员在能见度低的状况下，能尽早发觉实行措施。能见度低的状况下，能尽早发觉实行措施。当散射粒子的线度大于特别之几波长，甚至与波长相当散射粒子的线度大于特别之几波长，甚至与波长相当时瑞利散射定律不再成立，此为大粒子散射，称为当时瑞利散射定律不再成立，此为大粒子散射，称为米氏散射。米氏散射。米（米（G.Mie)和德拜和德拜(P.Debye)以球形质点为模型计算以球形质点为模型计算了电磁波的散射。了电磁波的散射。米德拜的计算表明，只有球半径满足下列条件时，米德拜的计算表明，只有球半径满足下列条件时，瑞利散射定律才是正确的。瑞利散射定律才是正确的。当当a较大时，散射强度与波长的依靠关系就不明显较大时，散射强度与波长的依靠关系就不明显了，米德拜的计算结果如图。了，米德拜的计算结果如图。当入射光的波长大于特别之一时，散射光的强度与波当入射光的波长大于特别之一时，散射光的强度与波长的依靠关系不明显。因此散射光的颜色与入射光相长的依靠关系不明显。因此散射光的颜色与入射光相近，白光入射将视察到白色的散射光。近，白光入射将视察到白色的散射光。这就是云雾呈白色的原因。这就是云雾呈白色的原因。例如，点燃的香烟冒出蓝色的烟，但从口中吐出的烟却例如，点燃的香烟冒出蓝色的烟，但从口中吐出的烟却是白色的。是白色的。Why？这是因为组成烟的微小颗粒蓝光散射猛烈这是因为组成烟的微小颗粒蓝光散射猛烈瑞利散射；瑞利散射；而从口中吐出的烟，由于凝合了水蒸气在其上，颗粒变而从口中吐出的烟，由于凝合了水蒸气在其上，颗粒变大大属于米氏散射，故呈现白色。属于米氏散射，故呈现白色。当光通过介质时，不仅介质的吸取使透射光强减弱，由于当光通过介质时，不仅介质的吸取使透射光强减弱，由于光的散射也使使射入介质的光强按指数形式衰减，因此，光的散射也使使射入介质的光强按指数形式衰减，因此，穿过厚度为穿过厚度为l 的介质透射光强为：的介质透射光强为：为吸取系数，吸取系数，为散射系数，散射系数，+就称就称为衰减系数。在衰减系数。在很多状况下，很多状况下，和和 中一个往往比另一个小很多，因而可中一个往往比另一个小很多，因而可以忽以忽视。三三.散射光强的角分布和偏振态散射光强的角分布和偏振态试验表明，散射光的强度随光的方向而变更，自然光试验表明，散射光的强度随光的方向而变更，自然光入射时，散射光强满足下式：入射时，散射光强满足下式：是散射光方向与入射光方向之间的夹角。是散射光方向与入射光方向之间的夹角。入射光方向入射光方向散射光方向散射光方向可见，可见，散射光强散射光强的分布是对于光的分布是对于光的传播方向及垂的传播方向及垂直于光的传播方直于光的传播方向是对称的。向是对称的。假设入射光是线偏振的，传播方向沿着假设入射光是线偏振的，传播方向沿着Z轴，如图。设轴，如图。设在各向同性的介质中有一粒子在各向同性的介质中有一粒子P。当光与粒子相遇时，使当光与粒子相遇时，使P作受作受迫振动，所形成的电矢量也迫振动，所形成的电矢量也平行于平行于X轴。由此产生的次轴。由此产生的次波为球面波。光波又是横波，波为球面波。光波又是横波，振动方向与传播方向垂直。振动方向与传播方向垂直。在各个方向的振幅应等于最在各个方向的振幅应等于最大振幅在相应方向的投影。大振幅在相应方向的投影。虽然从光源发出的光是自然光，但从正侧方用检偏器检虽然从光源发出的光是自然光，但从正侧方用检偏器检查发觉，散射光是线偏振的，沿着斜侧面视察发觉是部查发觉，散射光是线偏振的，沿着斜侧面视察发觉是部分偏振光，只有正对着入射方向视察时，透射光才是自分偏振光，只有正对着入射方向视察时，透射光才是自然光。然光。因此，在赤道平面因此，在赤道平面ABA B 上的个电的振上的个电的振幅最大，在两极幅最大，在两极D和和D 处，处，振幅等于零。振幅等于零。不在赤道平面的任一点不在赤道平面的任一点F越越靠近赤道平面振幅越大。靠近赤道平面振幅越大。假如入射光的矢量假如入射光的矢量E改为平行于改为平行于Y轴线偏振光，则散射轴线偏振光，则散射光的振幅状况将上图转光的振幅状况将上图转90即可得到。即可得到。自然光的电矢量在自然光的电矢量在xoy平面内沿着一切可能的方向振动，平面内沿着一切可能的方向振动，可平均分成沿着可平均分成沿着x和和y方向振动的两个线偏振光。被粒子方向振动的两个线偏振光。被粒子散射时，各个方向上的振幅可看成是以上两个分振动的散射时，各个方向上的振幅可看成是以上两个分振动的合成。如图合成。如图图中可以看出，沿着图中可以看出，沿着PA、PA、PD、PD、PF等正侧等正侧面视察时，散射光都是线面视察时，散射光都是线偏振光。振动面垂直于入偏振光。振动面垂直于入射光的传播方向。射光的传播方向。沿着光的传播方向仍为沿着光的传播方向仍为自然光；从其他方向视自然光；从其他方向视察时，散射光是部分偏察时，散射光是部分偏振光。振光。以上探讨的散射介质，假设它的分子本身是各向同性以上探讨的散射介质，假设它的分子本身是各向同性的。假如介质分子本身就是各向异性的，状况就要困的。假如介质分子本身就是各向异性的，状况就要困难的多。难的多。例如当线偏振光照射某些气体或液体时，从侧面视察例如当线偏振光照射某些气体或液体时，从侧面视察时，散射光变成了部分偏振光（有些状况透射光也变时，散射光变成了部分偏振光（有些状况透射光也变成了部分偏振光）。这种现象称为退偏振。成了部分偏振光）。这种现象称为退偏振。以以Ix和和Iy分别表示散射光沿着分别表示散射光沿着x轴和轴和y轴振动的强度，则轴振动的强度，则散射部分偏振光的偏振度为：散射部分偏振光的偏振度为：通常又引入通常又引入退偏振度退偏振度的概念：的概念：例如：例如：退偏振这一现象的说明也是瑞利提出的。他认为退退偏振这一现象的说明也是瑞利提出的。他认为退偏振度与散射分子的光学性质各向异性有关。在这偏振度与散射分子的光学性质各向异性有关。在这种分子里电极化的方向一般不与光波的电矢量方向种分子里电极化的方向一般不与光波的电矢量方向相同。测量退偏振度可以推断分子的各向异性，因相同。测量退偏振度可以推断分子的各向异性，因此也可以用来推断分子的结构。此也可以用来推断分子的结构。6.3 光的色散光的色散 Dispersion of Light光在介质中的传播速度光在介质中的传播速度v 随波长而异的现象，亦即介质随波长而异的现象，亦即介质的折射率随着波长而变更，这种现象称为光的色散。的折射率随着波长而变更，这种现象称为光的色散。1672年牛顿首先利用三棱镜的色散效应把日光分解为年牛顿首先利用三棱镜的色散效应把日光分解为彩色光带。彩色光带。为了表征介质折射率随波长的变更快慢程度和趋势，引为了表征介质折射率随波长的变更快慢程度和趋势，引入介质色散率的概念。入介质色散率的概念。定义为：介质的折射率对波长的导数，即介质的色散率定义为：介质的折射率对波长的导数，即介质的色散率为：为：dn/d 一一.正常色散正常色散测量不同波长的光线通过棱镜的偏转角，就可算出棱测量不同波长的光线通过棱镜的偏转角，就可算出棱镜材料的折射率镜材料的折射率n与波长与波长之间的依靠关系曲线，即色之间的依靠关系曲线，即色散曲线。散曲线。试验表明：凡在可见光范试验表明：凡在可见光范围内无色透亮的物质，它围内无色透亮的物质，它们的色散曲线形式上很相们的色散曲线形式上很相像，其间有很多共同特点，像，其间有很多共同特点，如如n随随的增加而单调下降，的增加而单调下降，且下降率在短波一端更大，且下降率在短波一端更大，等等。这种色散称为正常等等。这种色散称为正常色散。色散。当白光通过介当白光通过介质发生正常色质发生正常色散时，白光中散时，白光中不仅紫光比红不仅紫光比红光偏折的厉害，光偏折的厉害，而且在所形成而且在所形成的光谱中，紫的光谱中，紫端比红端展得端比红端展得更开。更开。1836年科希（年科希（A.L.Cauchy，1789-1857)给出一个正常色散出一个正常色散的折射率随波的折射率随波长变更的更的阅历公公式。式。正常色散的阅历公式：正常色散的阅历公式：上式称为科希公式，式中上式称为科希公式，式中A，B，C是与物质有关的常是与物质有关的常数，其数值由试验数据来确定，当波长变更范围不大数，其数值由试验数据来确定，当波长变更范围不大时，科希公式可只取前两项，即时，科希公式可只取前两项，即则介质的色散率为：则介质的色散率为：A、B均为正值，上式表明，折射率和色散率的数值都均为正值，上式表明，折射率和色散率的数值都随波长的增加而减小，当发生正常色散时，介质的色随波长的增加而减小，当发生正常色散时，介质的色散率小于零。散率小于零。对介质有猛烈吸取的波段称为吸取带。试验表明，在猛对介质有猛烈吸取的波段称为吸取带。试验表明，在猛烈吸取的波段，色散曲线的形态与正常色散曲线大不相烈吸取的波段，色散曲线的形态与正常色散曲线大不相同。同。二二.反常色散反常色散若向红外区域延长，若向红外区域延长，并接近吸取带时，色并接近吸取带时，色散曲线起先与科希公散曲线起先与科希公式偏离（见图中式偏离（见图中R点）。点）。如如图所示所示为一种在可一种在可见光区域内透亮的物光区域内透亮的物质（如（如石英）在石英）在红外区域中的色散曲外区域中的色散曲线，在可，在可见光区域内色光区域内色散是正常的，曲散是正常的，曲线（PQ段）段）满足科希公式。足科希公式。在吸取带内因光极弱，很难推想到折射率的数据。过在吸取带内因光极弱，很难推想到折射率的数据。过了吸取带，色散曲线（了吸取带，色散曲线（ST段）又复原正常的形式，并段）又复原正常的形式，并满足科希公式。满足科希公式。在吸取带内，折射率随波长的增加而增加，即在吸取带内，折射率随波长的增加而增加，即dn/d 0,与正常色散相反，这种现象称为反常色散。与正常色散相反，这种现象称为反常色散。应当指出：所谓应当指出：所谓“反常反常”只是历史上的缘由。现象本只是历史上的缘由。现象本身恰反映了在吸取带内普遍遵从的色散规律。身恰反映了在吸取带内普遍遵从的色散规律。全部介质在透亮波段全部介质在透亮波段表现出正常色散；而表现出正常色散；而在吸取带内表现出反在吸取带内表现出反常色散。常色散。三三.色散的视察色散的视察1672年牛年牛顿首先利用交叉棱首先利用交叉棱镜法将色散曲法将色散曲线特特别直直观地地显示出来，交叉棱示出来，交叉棱镜装置如装置如图所示。所示。假如制做棱镜假如制做棱镜P1和和P2材料的色散规律（即材料的色散规律（即n 与与 的依靠的依靠关系）不同，倾斜光带关系）不同，倾斜光带ab将是弯曲的，它的形态直观将是弯曲的，它的形态直观地反映了两种材料色散性能的差异。地反映了两种材料色散性能的差异。1904年伍德（年伍德（R.W.Wood)曾用交叉棱曾用交叉棱镜法法视察了察了钠蒸汽蒸汽的色散。他的装置如的色散。他的装置如图所示。所示。当钠被蒸发时，由于管当钠被蒸发时，由于管V内蒸汽的色散作用，不同波内蒸汽的色散作用，不同波长的光不同程度地向下编折，在钠的吸取线旁边，分长的光不同程度地向下编折，在钠的吸取线旁边，分光仪焦面上的水平光谱带被严峻扭曲和割断，变成图光仪焦面上的水平光谱带被严峻扭曲和割断，变成图所示的样子。所示的样子。6.5、色散的经典理论 设 不是恒量，而是随着频率变更，那么仍可由麦氏 关系来推得色散方程 由洛伦兹的经典电子论，得到电磁场频与介电常数的关系，由此得到与折射率的关系，解决了麦克斯韦理论的最初困难,阐明白色散现象。利用电偶极子模型利用电偶极子模型最终可得到即柯希公式 分光仪器则是视察由色散和衍射所引起的光谱结构。摄谱仪是一种精密的分光仪器，在辨别所摄光谱中两个波长很靠近的谱线时，也有辨别本事的限制。摄谱仪通常有棱镜摄谱仪和光栅摄谱仪两种，我们主要探讨光栅光谱仪的辨别本事。分光仪器的辨别本事分光仪器的辨别本事返回 将光栅方程的衍射角对波长求导，即得光栅的角色散率光栅光谱仪的线色散率，定义为式中 为会聚透镜的焦距。每一谱线事实上是光栅衍射花样的主极大亮条纹，宽度以 为范围。依据瑞利判据，光栅的色辨别极限光栅的色辨别本事为