光的吸收色散物理光学.ppt

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1、 教学目标：教学目标：掌握朗伯定律、瑞利定律；理解光的吸收、散射和掌握朗伯定律、瑞利定律；理解光的吸收、散射和 色散的特点及相互联系；了解有关现象的经典理论色散的特点及相互联系；了解有关现象的经典理论 解释。解释。内容分析：内容分析：第一单元（第一单元（1）：经典电磁理论中用以解释光与物）：经典电磁理论中用以解释光与物 质相互作用的电偶极子模型。质相互作用的电偶极子模型。第二单元（第二单元（2）：光的吸收及规律。）：光的吸收及规律。第三单元（第三单元（3）：光的散射及规律。）：光的散射及规律。第四单元（第四单元（4）：光的色散及规律。）：光的色散及规律。第六章 光的吸收、散射和色散 定义：光通

2、过介质后出现的出射光强小于入射光强的现象。定义：光通过介质后出现的出射光强小于入射光强的现象。解释：用经典电磁理论中的振子模型解释：光能解释：用经典电磁理论中的振子模型解释：光能 振动能振动能 热能。热能。21 吸收定律吸收定律1朗伯定律：朗伯定律：2 设光通过厚度为设光通过厚度为dx的介质层时，的介质层时，3 光强由光强由I减少为（减少为（IdI），），则有：则有：4 成立，成立，5积分可得通过厚度为积分可得通过厚度为L的介质后的光强的介质后的光强 I，6 这就是朗伯定律，式中a称吸收系数。I0II-dIdxxx+dxlX2 光的吸收光的吸收2比尔定律：比尔定律：3实验表明：在浓度较低的溶液

3、中，吸收系数实验表明：在浓度较低的溶液中，吸收系数 a与溶液浓度与溶液浓度C成成正正4 比，比，a=AC。A为与溶液浓度为与溶液浓度C无关的常数，表无关的常数，表征物征物5 质的分子特性。质的分子特性。6 代入代入 a与与C的关系，朗伯定律变形为的关系，朗伯定律变形为:7这称为比尔定律。利用比尔定律通过测量 I 可得溶液的浓度C。22 吸收类型吸收类型一般吸收：一般吸收：a值很小且不随波长发生明显变化，即呈现所谓值很小且不随波长发生明显变化，即呈现所谓 “透明透明”状态。状态。选择吸收：选择吸收：a值很大且随波长发生急剧变化，即呈现值很大且随波长发生急剧变化，即呈现“不透明不透明”的状态。的状

4、态。吸收普遍存在于一切介质中，任何介质中都可发生两种类吸收普遍存在于一切介质中，任何介质中都可发生两种类型的吸收，关键取决于波长。型的吸收，关键取决于波长。23 吸收光谱吸收光谱 产生连续光谱的光源在通过介质后会产生吸收，所形成的产生连续光谱的光源在通过介质后会产生吸收，所形成的光谱为吸收光谱，如图光谱为吸收光谱，如图65所示。吸收系数大的位置出现谱线所示。吸收系数大的位置出现谱线消失。消失。用用 途：物质的定量分析；气象、天文研究。途：物质的定量分析；气象、天文研究。定义：光通过某些介质时，在偏离正常传播方向上有光出射的定义：光通过某些介质时，在偏离正常传播方向上有光出射的 现象。现象。31

5、 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。原因是在均匀介质中包含许多线度发生于混浊介质中。原因是在均匀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。原因是介质中分子发生于表面看来均匀纯净的介质中。原因是介质中分子 密度密度 起伏破坏了介质的均匀性而导致。起伏破坏了介质的均匀性而导致。3 光的散射光的散射32 散射定律散射定律1正常传播方向上的光强正常传播方向上的光强:2 因为散射分散了正常传播方向上的光能量，表现为正常因为散射分散了正常传播方向上的光能量，表现为正

6、常传播方向上光强的减弱，故可用朗伯定律描述：传播方向上光强的减弱，故可用朗伯定律描述：3 s 称散射系数，出射光仍为自然光。2散射光的光强散射光的光强:3 设观察方向与正常传播方向之间的夹角为设观察方向与正常传播方向之间的夹角为 ，散射光强为：，散射光强为：4 注意，观察面为 X-O-Z 平面，参见图6-8。33 瑞利散射定律瑞利散射定律 实验表明：散射光中各种波长的能量不是均匀分布的，短实验表明：散射光中各种波长的能量不是均匀分布的，短波占有明显优势，即有波占有明显优势，即有 的关系成立，这个关系称为瑞的关系成立，这个关系称为瑞利定律。利定律。3、散射光的偏振特性：、散射光的偏振特性：在垂直

7、于光束的方向上在垂直于光束的方向上（z）观察，）观察，散射光为散射光为平面偏振光。其他方向平面偏振光。其他方向上（上（y,c）观察到的是）观察到的是部分偏振光。部分偏振光。34 分子散射分子散射是由物质分子密度的涨落而引起的，它弱于瑞利散射。是由物质分子密度的涨落而引起的，它弱于瑞利散射。定义：光通过介质时，传播速度随频率而变化，因而不同波长定义：光通过介质时，传播速度随频率而变化，因而不同波长 的光具有不同的折射率值的现象。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：由此可得由此可得 n 与频率与频率

8、 、波长波长 无关。无关。4 光的色散光的色散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：对棱镜对棱镜 表征表征 关系的存在，即表征物质的色散特性。关系的存在，即表征物质的色散特性。42 色散曲线和光谱色散曲线和光谱 实验中用实验中用正交棱镜观察法正交棱镜观察法测量色散曲线，参见图测量色散曲线，参见图612。对棱镜有最小偏向角对棱镜有最小偏向角 ,0可表示

9、可表示谱线的移动距离，即谱线可表示出谱线的移动距离，即谱线可表示出 n 之间的关系。之间的关系。色散曲线：色散曲线：实验中通过测定不同波长的光对应的实验中通过测定不同波长的光对应的 0，得出，得出n 关系，关系，即为色散曲线。即为色散曲线。插图插图6-14：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

10、。2、短波段的角色散率比长波段的大（可比较、短波段的角色散率比长波段的大（可比较a、c）。）。3、折射率大则角色散率大，光谱展开得宽（比较、折射率大则角色散率大，光谱展开得宽（比较 a、b）。）。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：43 色散类型及方程色散类型及方程1正常色散：正常色散：2 特点：特点：波长波长 变大时，折射率值变大时，折射率值 n 变小，角色散率变小，角色散率D变小。变小。3一切无色透明介质在可见光区域均表现为一切无色透明介质在可见光区域均表现为正常色散。正常色散。4 描述正常色散时描述正常色散时 n 与与 关系

11、的经验公式为科希方程：关系的经验公式为科希方程：5 a、b、c为由介质特性决定的常数，由实验得为由介质特性决定的常数，由实验得出。出。6 当波长变化范围不大时，科希方程可取近似形式：当波长变化范围不大时，科希方程可取近似形式：由上两式可得：由上两式可得：,与正常色散曲线、光谱的与正常色散曲线、光谱的特点相吻合。特点相吻合。2反常色散：反常色散：3 在某些波段会出现，波长变大时折射率值增大的现象，在某些波段会出现，波长变大时折射率值增大的现象，这这4称为反常色散。称为反常色散。5 反常色散同样是物质的普遍性质。反常色散与选择吸收反常色散同样是物质的普遍性质。反常色散与选择吸收密密6切相关，即在发生物质的选择吸收波段附近出现切相关，即在发生物质的选择吸收波段附近出现反常色散反常色散。请请1.参见图参见图6-18。2.描述反常色散下描述反常色散下 n 与与 关系的经验公式为塞耳迈耳方程：关系的经验公式为塞耳迈耳方程：3.由此式得：当 0时，n，这是塞耳迈耳方程的一个4.较大的缺陷。