《光学教程》(姚启钧)第六章光的吸收、散射和色散

电偶极子(electricdipole)：一对靠得很近的等量异号的点电荷组成的系统。,电偶极矩(electricdipolemoment),电磁波辐射,电偶极子,6.1电偶极辐射对反射和折射现象的解释,R代表观察者离偶极子距离,1电偶极子模型,光通过物质时，各分子将依次按入射光到到达该分子时的相位做受迫振动。,做受迫振动的各分子将依次发出次级电磁波。,能初步解释直线传播、折射和反射等现象。,2对反射和折射现象的初步解释,6.2光的吸收,一般吸收：若物质对各种波长的光的吸收程度几乎相等，即吸收系数a与无关，则称为一般吸收.在可见光范围内的一般吸收意味着光束通过媒质后只改变强度，不改变颜色。例如空气、纯气、无色玻璃等媒质都在可见光范围内产生一般吸收。选择吸收：若物质对某些波长的光的吸收特别强烈，则称为选择吸收。对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光进行选择吸收的结果。,1一般吸收和选择吸收,从广阔的电磁波谱来考虑，一般吸收的媒质是不存在的，在可见光范围内一般吸收的物质，往往在红外和紫外波段内进行选择吸收，故而选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律，以空气为例，地球大气对可见光和波长在3000埃以上的紫外是透明的，波长短于3000埃紫外线将被空气中的臭氧强烈吸收，对于红外辐射，大气只在某些狭窄的波段内是透明的。这些透明的波段称为“大气窗口”。这里的主要吸收气体是水蒸汽，所以大气的红外窗口与气象条件有密切关系。制作分光仪器中棱镜、透镜的材料必须对所研究的波长范围的透明的，由于选择吸收，任何光学材料在此外和红外端都有一定的透光极限。紫外光谱仪中的棱镜需用石英制作，红外光仪中的棱镜则常岩盐或CaF2、LiF等晶体制成。,如图6-1所示，光强为I0的单色平行光束沿x轴方向通过均匀物质，在经过一段距离x后光强已减弱到I，再通过一无限薄层dx后光强变为I+dI（dI0，与上述正常色散曲线大不相同。尽管通常把这种色散称为反常色散（anomalousdispersion），但实际上它反映了物质在吸收区域内所普遍遵从的色散规律。在吸收区域以外，物质的色散曲线仍属于正常曲线。,反常色散,6.5色散的经典理论,复数折射率的意义n透明媒质折射率的本意是=c/v。即真空光速c与媒质中光速v之比，在媒质中沿x方向传播的平面电磁波中电场强度可作如下复数形式：这里n是实数，电磁波不随距率衰减，如果我们形式地把折射看成是复数,光强则为代表一个随距离x衰减的平面波，故k称为衰减指数，衰减指数k与吸收系数a的关系是这里是真空中波长，由此可见，媒质的吸收可归并到一个数折射率的概念中去，折射率的虚部反映了因媒质的吸收而产生的电磁波衰减。,光线通过均匀的透明媒质(如玻璃、清水）时，从侧面是难以看到光线的。如果媒质不均匀，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，这是媒质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果。光的散射与不均匀性的尺度有很大关系，下面我们就这个问题作稍细的解释。,如果媒质的均匀性遭到破坏，即尺度达到波长数量级的邻近媒质小块之间在光学性质上（如折射率）有较大差异，在光波的作用下它们将成为强度差别较大的次波源，而且从它们到空间各点已有不可忽略的光程差，这些次波相干迭加的结果，光场中的强度分布将与上述均匀媒质情形有所不同，这时，除按几何光学规律传播的光线外，其它方向或多或少也有光线存在，这就是散射光，由此可见，尺度