物理光学-第五章-光的色散

2023/1/161波动光学2023/1/162第5章光的吸收、散射和色散§5.1反射与折射的电偶极辐射模型§5.2光的吸收§5.3光的散射§5.4光的色散2023/1/163光与物质的相互作用引起：光的吸收：光的能量被物质吸收的现象。光的散射：光的能量由于物质的作用，向各个方向散开。光的色散：光在物质中速度随频率变化的现象。2023/1/164§5.1反射与折射的电偶极辐射模型5.1.1电偶极子模型电偶极子辐射的电磁波：2023/1/1655.1.2电偶极辐射对反射和折射的初步解释分子线度：10-8cm，光波长：10-5cm分子受迫振动发出的次波与入射光波叠加，合成波的相位改变，某些方向加强。截面上分子的不连续性引起反射和折射。布儒斯特定律的解释：2023/1/166§5.2光的吸收5.2.1一般吸收和选择吸收一般吸收：吸收光能量很少，在一定波段内恒定。选择吸收：吸收光能量很多，随波长强烈变化。石英：对可见光为一般吸收，对红外光（3.5-5微米）选择吸收5.2.2朗伯定律光能热能dxII+dII0xx+dxxl2023/1/167玻璃：1大气压下，10-2cm-1比尔定律：溶液的吸收系数A为常数。确定溶液的浓度—光谱分析朗伯定律具有普适性2023/1/1685.2.3吸收光谱光通过选择吸收介质，连续光谱中某些波长的光被吸收。并非所有的发射光谱线系都能观察到吸收光谱。对于Na，主线系出现在吸收光谱中。气压增高，原子间相互作用增强，吸收光谱变得模糊。应用：化学、国防、气象等，原子含量的变化－定量分析。大气窗口：透明度高的波段。红外遥感、导航、跟踪。1-15微米有7个窗口。330.29285.28285.30330.23589.59588.99λ/nmαa2023/1/169§5.3光的散射光的散射：光束通过不均匀物质，侧向可以看到光。为散射系数5.3.1非均匀介质中散射的经典图像浑浊物质：尘埃、烟雾、悬浮液、乳状液、毛玻璃等。特点：线度较波长小，彼此距离比波长大，排列无规则。振动无固定相位关系，次波不相干叠加。各处没有消光，形成散射光。2023/1/16105.3.2散射和反射、漫射和衍射的区别散射与反射、折射的区别：次波发射中心的排列不同。散射无规则。反射、折射有规则，物体线度大于波长。反射定律：介质面是理想光滑平面。不规则区域的线度远小于波长。漫反射：实际镜面的不理想，许多小镜面的反射叠加。衍射：个别不均匀区域（与波长可比拟）造成。散射：大量不规则的非均匀小区域（线度小于波长）。2023/1/16115.3.3瑞利散射垂直观察：青蓝色迎光观察：比较红入射光f(λ),散射光：f(λ)λ-4——瑞利定律瑞利散射：线度小于光的波长的微粒对光的散射。散射光中短波占优势。直接通过的光少了短波成分，呈红色。紫光散射是红光的10倍。红光通过薄雾的能力强—远距离照相、遥感技术SxCzy盛水玻璃杯（滴上牛奶）2023/1/16125.3.4散射光的强度xzyoc0αθ设分子沿z轴振动，在c0方向上：设分子沿y轴振动，在c0方向上：自然光入射：2023/1/16135.3.5分子散射物质分子密度的涨落引起。日出日落：太阳光线几乎平行于地平面。较短的光被侧向散射，剩下红光。太阳呈红色，但天空为浅蓝色。云块被太阳照射，呈红色（朝霞、晚霞）正午：大气层最薄，散射不多，白色。云雾的散射：米氏散射。与波长关系不大。呈白色。应用：测定胶体溶液、浑浊介质、高分子物质的物理化学性质，微粒大小、速度、悬浮微粒密度等。米氏散射:较大微粒的散射，微粒线度与波长比拟。

——人工降雨污染的空气：米氏散射。微粒越大，散射越强。对蓝、黄、绿等有强烈散射，看上去更红一些。2023/1/1614例1：长为30cm的玻璃管中有含烟的气体，它通过约60％的光。当烟粒完全去处，则92％的光通过。设烟粒只有散射没有吸收，计算吸收系数和散射系数。解：吸收效应：色散吸收同时存在：2023/1/1615例2若白光中波长为400nm的紫光与720nm的红光具有相同的强度，求散射光中两者的比例。解：2023/1/1616§5.4光的色散5.4.1色散的特点棱镜折射观察色散—牛顿角色散率：D=dθ/dλ不同的物质，色散率不同；不同波长，色散率不同。在衍射图样中，光谱线分离开来。角色散率与折射率有关系A为棱镜的折射角2023/1/16175.4.2正常色散与反常色散正常色散的色散曲线：—柯西方程•波长越短，n越大，dn/dλ越大，D越大。•对同一波长，n越大，dn/dλ越大。•不同物质色散曲线没有简单的相似关系。λ/nm2004006008001000可见光区域1.41.51.61.7n123451重火石玻璃2轻火石玻璃3水晶4冕牌玻璃5萤石反常色散2023/1/1618存在反常色散，光被强烈吸收。靠近吸收区，n变化很快，越过吸收区λ大的一边折射率突然增大。λ/nmn4405206006807601.41.82.2NMPQR吸收带可见光区域λn红外或紫外光谱中只要存在选择吸收，表现反常色散。2023/1/1619例3由a=1.53974和b=4.5628×103nm2的玻璃构成的折射角为50o的棱镜。当棱镜的位置放得使它对550nm的波长处于最小偏向角时，计算棱镜的角色散率。解：柯西公式：2023/1/16205.4.3光孤子(opticalso1iton)1834年，罗素（Russel）发现孤波(solitorywave)孤子