大学物理下-第15章 光和物质相互作用ppt课件

1、15.1 分子光学的基本概念分子光学的基本概念(Concepts of molecule optics)一、一、 电偶极子模型电偶极子模型tqEF cos01物质中物质中带电粒带电粒子受力子受力 电场力电场力krF 2trFdd3 其他电荷给的弹性力其他电荷给的弹性力 电磁辐射阻尼力电磁辐射阻尼力2232dd2trmFFF tfrtrtr cosdd2dd02022 mk 0 固有频率固有频率m2 阻尼系数阻尼系数mqEf00 ( )cos()r tAt 稳态解稳态解光与物质相互作用：光的散射、吸收和色散光与物质相互作用：光的散射、吸收和色散1tEE cos0设：和物质发生相互作用电磁波设：和

2、物质发生相互作用电磁波E矢量矢量 2220202 fA稳态解稳态解2202tan 感生电偶极矩感生电偶极矩 22202022cos mtEqqrp当当 0 电偶极矩振幅最大电偶极矩振幅最大mqE /0 tAtrcos2 原子核、离子原子核、离子 惯性大，在频率较低惯性大，在频率较低 的红外光中才能振动。的红外光中才能振动。二、二、 带电粒子分类带电粒子分类重粒子重粒子轻粒子轻粒子电子电子 能在紫外光、可见光照射下振动。能在紫外光、可见光照射下振动。各向同性介质：各向同性介质： e 是常数是常数0epE Ep/一般电偶极矩一般电偶极矩 e: 分子的极化率分子的极化率各向异性介质：各向异性介质：

3、e 与外电场方向有关，是张量。与外电场方向有关，是张量。Ep、方向关系复杂。方向关系复杂。 物质中大量靠得很近的原子分子，被同一列入射光激物质中大量靠得很近的原子分子，被同一列入射光激发，形成的偶极子振动所辐射的诸次波是相干的，次波与发，形成的偶极子振动所辐射的诸次波是相干的，次波与入射波也是相干的。入射波也是相干的。3散散 射射41 sI一一. 纯净媒质的分子散射纯净媒质的分子散射15.2 光的散射光的散射(Scattering of light)当光束通过光学性质不均匀的物质时，从侧当光束通过光学性质不均匀的物质时，从侧面可以看到光，这个现象称作光的散射。面可以看到光，这个现象称作光的散射

4、。太阳光通过大气层，空气中分子对短波部分散射强度大，太阳光通过大气层，空气中分子对短波部分散射强度大，因此看天空是蓝色。因此看天空是蓝色。散射媒质的不均匀度散射媒质的不均匀度 a 的媒质散射的媒质散射瑞利散射瑞利散射 由于气体分子的无规则热运动，次级波源的分布杂乱无由于气体分子的无规则热运动，次级波源的分布杂乱无序，因此破坏了各波相位的相关性，产生散射。散射光序，因此破坏了各波相位的相关性，产生散射。散射光是非相干的。是非相干的。4清晨和傍晚，阳光通过大气层的距离较中午长，短波被充清晨和傍晚，阳光通过大气层的距离较中午长，短波被充分散射掉后，人们见到的太阳就是红彤彤的。分散射掉后，人们见到的太

5、阳就是红彤彤的。二二. 浑浊媒质的散射浑浊媒质的散射云层中的水汽对所有波长的光散射相同，故看到的是白色的云。云层中的水汽对所有波长的光散射相同，故看到的是白色的云。瑞利散瑞利散 射区射区 a散射概率散射概率大颗粒媒质散射对波长无选择大颗粒媒质散射对波长无选择 在均匀气体或液体在均匀气体或液体 中，分布着大颗粒的液体或固体质中，分布着大颗粒的液体或固体质元；这些质元的线度与光的波长相同或是更大些，这种混元；这些质元的线度与光的波长相同或是更大些，这种混合物体称为浑浊媒质。合物体称为浑浊媒质。5宇航员在太空看宇航员在太空看到的天空和太阳。到的天空和太阳。在地球上，清晨阳光穿过大气的距离较中午长，所

6、在地球上，清晨阳光穿过大气的距离较中午长，所以被散射掉的短波成分更多以被散射掉的短波成分更多朝阳、夕阳呈红色。朝阳、夕阳呈红色。为什么我们看到为什么我们看到的天是蓝色的？的天是蓝色的？ 散射！散射！清晨清晨中午中午傍晚傍晚6宇航员看到的太空为什么是黑色的？为什么天空总是蔚蓝色的？为什么早晨宇航员看到的太空为什么是黑色的？为什么天空总是蔚蓝色的？为什么早晨或傍晚看到的太阳呈红色而正午的太阳呈白色？如果地球表面没有大气，天或傍晚看到的太阳呈红色而正午的太阳呈白色？如果地球表面没有大气，天空将是什么样子？宇航员在太空中看到的天空又是什么样子？空将是什么样子？宇航员在太空中看到的天空又是什么样子？7当

7、光束通过光学性质均匀的介质如玻璃、纯水时，在光束的侧面观察，几乎看不当光束通过光学性质均匀的介质如玻璃、纯水时，在光束的侧面观察，几乎看不到光，但当一束太阳光射入有烟雾的室内或混浊的水中时，我们从侧面也可以看到光到光，但当一束太阳光射入有烟雾的室内或混浊的水中时，我们从侧面也可以看到光束的行径，这是由于光被混浊物质中的小微粒向各个方向散射所致。大雾天能见度低束的行径，这是由于光被混浊物质中的小微粒向各个方向散射所致。大雾天能见度低是由于空气中的液体粒子多而引起的强烈散射的结果。光的散射是指由于介质中存在是由于空气中的液体粒子多而引起的强烈散射的结果。光的散射是指由于介质中存在微小粒子或分子对光

8、的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。微小粒子或分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。从太阳射来的光被大气分子和天空的尘埃散射。蓝光比红光散射更强烈，故散射光中从太阳射来的光被大气分子和天空的尘埃散射。蓝光比红光散射更强烈，故散射光中蓝光占优势，仰望晴朗的天空，主要就是这些散射光进入眼内，这正是天空呈蔚蓝色蓝光占优势，仰望晴朗的天空，主要就是这些散射光进入眼内，这正是天空呈蔚蓝色的原因。早晨或傍晚看到太阳呈红色，是因为此时太阳光几乎平行于地面，穿过的大的原因。早晨或傍晚看到太阳呈红色，是因为此时太阳光几乎平行于地面，穿过的大气层最厚，散射效应显著，蓝光被强烈

9、散射，仅剩下红光到达地面，所以见到火红的气层最厚，散射效应显著，蓝光被强烈散射，仅剩下红光到达地面，所以见到火红的朝阳或夕阳。中午太阳光穿过大气层最薄，散射效应相对较弱，看起来太阳呈白色。朝阳或夕阳。中午太阳光穿过大气层最薄，散射效应相对较弱，看起来太阳呈白色。如果地球表面没有大气层，就没有大气分子来散射太阳光，因而白天的天空将是一片如果地球表面没有大气层，就没有大气分子来散射太阳光，因而白天的天空将是一片漆黑，这时仰望天空，只能看见光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的天空，还能看到闪烁的漆黑，这时仰望天空，只能看见光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的天空，还能看到闪烁的星星，这与宇航员在太空中看到的景象一样。星

10、星，这与宇航员在太空中看到的景象一样。我们周围的大部分物体如红花、绿叶、青砖、黑瓦等能呈现它们各自颜色的原因是什我们周围的大部分物体如红花、绿叶、青砖、黑瓦等能呈现它们各自颜色的原因是什么呢？这是由于它们对各种颜色光的选择吸收所致。例如：红花中含有一种有机色素，么呢？这是由于它们对各种颜色光的选择吸收所致。例如：红花中含有一种有机色素，它可以吸收除红光以外的所有颜色的光，只把红光漫反射出来，故而呈红色。绿叶中它可以吸收除红光以外的所有颜色的光，只把红光漫反射出来，故而呈红色。绿叶中含有叶绿素，它可以吸收除绿光外其他颜色的光，只把绿光反射出来，所以叶子呈现含有叶绿素，它可以吸收除绿光外其他颜色的

11、光，只把绿光反射出来，所以叶子呈现绿色。绿色。三三. 拉曼散射拉曼散射光源光源散射物质散射物质光谱仪光谱仪 1 1 01 23 32 紫伴线紫伴线01 红伴线红伴线 0分子的固有频率。分子的固有频率。 3232 、；、 分子的固有频率不止一个，分子的固有频率不止一个，所以拉曼光谱中还有所以拉曼光谱中还有经典解释：散射分子无光照射时，也有分子电矩，并以固有频经典解释：散射分子无光照射时，也有分子电矩，并以固有频率振动；当有光照射时，光波的电场和固有电矩耦合就会有拉率振动；当有光照射时，光波的电场和固有电矩耦合就会有拉曼散射现象发生。曼散射现象发生。8红伴线红伴线 紫伴线紫伴线I0Ix0 x I

12、-dI x+dxxIIddxIIdd xIIdd xII00 xII 0lnxeII 0朗伯特定律朗伯特定律sa 真吸收真吸收散散 射射 xsaeII 0对于均匀介质常温下的液体和固体），光强衰减主要是真吸收；对于均匀介质常温下的液体和固体），光强衰减主要是真吸收；对于非均匀介质和稀薄气体，衰减光能量主要是由于散射。对于非均匀介质和稀薄气体，衰减光能量主要是由于散射。15.3 光的吸收光的吸收(Absorption of light)经经 dx距离后光强增量距离后光强增量 dI：媒质对各种波长的光的吸收程度相同，则为普遍吸收；媒质对各种波长的光的吸收程度相同，则为普遍吸收；媒质对不同波长的光的吸收程度不一样，则为选择吸收。媒质对不同波长的光的吸收程度不一样，则为选择吸收。9光的强度随着透入媒质的深度的增加而减弱的现象，是由媒质光的强度随着透入媒质的深度的增加而减弱的现象，是由媒质对光能的吸收和向各个方向对光能的吸收和向各个方向 散射而造成的。散