【教学】第六章光的吸收、色散和散射 物理光学

1、编辑编辑ppt教学目标：教学目标：掌握朗伯定律、瑞利定律；理解光的吸掌握朗伯定律、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解释。解有关现象的经典理论解释。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）：经典电磁理论中用以 解释光与质相互作用的电偶极子模型。解释光与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。编辑编辑pptI0II-d

2、Idxxx+dxlX定义：光通过介质后出现的出射光强小于入射光强的定义：光通过介质后出现的出射光强小于入射光强的现象。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 吸收定律吸收定律朗伯定律朗伯定律 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， 光强由光强由I减少为减少为（IdI），），则有则有 1 成立成立dxIdIa 编辑编辑ppt比尔定律比尔定律实验表明：在浓度较低的溶液中，吸收系数实验表明：在浓度较低的溶液中，吸收系数 a与与溶液溶液浓度浓度C成正比，成正比， a=AC。A为与溶液浓度为与溶液浓度

3、C无关的无关的常常数，表征物质的分子特性。数，表征物质的分子特性。代入代入 a与与C的关系，朗伯定律变形为的关系，朗伯定律变形为这称为比尔定律。利用比尔定律，通过测量这称为比尔定律。利用比尔定律，通过测量I可得可得溶溶液浓度液浓度C。ACleII 0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， laIIdxIdI00 laeII 0编辑编辑ppt22 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，即值很小且不随波长发生明显变化，即 呈现所谓呈现所谓“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，即呈值很大且随波长发生

4、急剧变化，即呈 现现“不透明不透明”状态。状态。吸收普遍存在于一切介质中，任何介质中都可发生两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。种类型的吸收，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产生吸收，所形成产生连续光谱的光源在通过介质后产生吸收，所形成的光谱为吸收光谱，如图的光谱为吸收光谱，如图65所示。吸收系数大的位所示。吸收系数大的位置出现谱线消失。置出现谱线消失。用途：物质的定量分析；气象、天文研究。用途：物质的定量分析；气象、天文研究。编辑编辑ppt定义：光通过某些介质时，在偏离正常传播方向上有定义：光通过某些介质时，在偏离

5、正常传播方向上有 光出射的光出射的 现象。现象。31 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多线度比波长更小的、折射率不同的其他物质的 微粒。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 中分子密度中分子密度 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。编辑编辑ppt32 散射定律散射定律正常传播方向上的光强正常传播方向上的光强 因为散射分散了正常传播方向上的光能量，表因为散射分散

6、了正常传播方向上的光能量，表现为正常传播方向上光强的减弱，故可用朗伯定现为正常传播方向上光强的减弱，故可用朗伯定律描述：律描述：1 s称散射系数。出射光仍为自然光。称散射系数。出射光仍为自然光。 lleIeIIsa 00 201cosII 散射光光强散射光光强 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，散射光强为射光强为编辑编辑ppt33 瑞利定律瑞利定律实验表明：散射光中各种波长的能量不是均匀分布实验表明：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，即有的，短波占有明显优势，即有 的关系成立，的关系成立，这个关系称为瑞利定律。这个关系称为瑞利

7、定律。41 I光的性质由光的性质由 角的变化而变为偏振度不同的偏振光；角的变化而变为偏振度不同的偏振光；当当 =90时为平面偏振光，其余方向为部分偏振时为平面偏振光，其余方向为部分偏振光。光。编辑编辑ppt定义：光通过介质时，传播速度随频率而变化，因定义：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而不同波长的光具有不同的折射率值的现 象。象。由此可得由此可得 n 与频率与频率 、波长波长 无关。无关。rrrrrvcncv ,c 00141 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编辑编辑ppt物质的色散特

8、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，即表征物质的色散关系的存在，即表征物质的色散特性。特性。 ddD ddnAsinnAsinD 212222 ddn fn 色散现象的客观存在说明了电磁理论存在缺陷。只有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原因。随频率变化的原因。编辑编辑ppt42 色散曲线和光谱色散曲线和光谱实验中用正交棱镜观察法测量色散曲线，参见图实验中用正交棱镜观察法测量色散曲线，参见图612。对棱镜有最小偏向角对棱镜有最

9、小偏向角 0可表示谱线的移动距离，即谱线可表示出可表示谱线的移动距离，即谱线可表示出 n 之之间的关系。间的关系。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，即为色散曲线。关系，即为色散曲线。 nAn 001 即即编辑编辑ppt光谱图光谱图611：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。 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，光谱就展开的宽折射率大则角色散率大，光谱就展开的宽 （可比较（可比较a、 b）。）。色散曲线图色散曲线图614：特点：特点：

10、1 随波长值变大，折射率值减小。随波长值变大，折射率值减小。 2 短波段色散曲线斜率较大，角色散率较短波段色散曲线斜率较大，角色散率较 大。大。 3 波长一定时，介质的折射率越大，则色散波长一定时，介质的折射率越大，则色散 曲线的斜率越大。曲线的斜率越大。编辑编辑ppt43 色散类型及方程色散类型及方程正常色散正常色散 特点：当波长特点：当波长 变大时，折射率值变大时，折射率值 n 变小，角变小，角色散率色散率D变小。变小。一切无色透明介质在可见光区域均表现为正常色散。一切无色透明介质在可见光区域均表现为正常色散。描述正常色散时描述正常色散时n 与与 关系的经验公式为科希方程：关系的经验公式为科希方程：a、b、c为由介质特性决定的常数，由实验得出。为由介质特性决定的常数，由实验得出。1 当波长间隔不大时，科希方程可取近似形式：当波长间隔不大时，科希方程可取近似形式： 42 cban322 bddnban 则则编辑编辑ppt反常色散反常色散在某些波长段会出现波长变大，折射率值增大的在某些波长段会出现波长变大，折射率值增大的现现象，这称为反常色散。象，这称为反常色散。反常色散同样是物质的普遍性质。反常色散与选反常色散同样是物质的普遍性质。反常色散与选择吸择吸收密切相关，即发生于物质的选择吸收波段附近。收密切相