光的吸收、散射和色散

光的吸收、散射和色散第1页，共13页，2023年，2月20日，星期三

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：光能振动能热能。2·1吸收定律朗伯定律：设光通过厚度为dx的介质层时，光强由I减少为（I-dI），则有：成立，积分可得通过厚度为l的介质后的光强I，

这就是朗伯定律，式中a称吸收系数。I0II-dIdxxx+dxlX§2光的吸收第2页，共13页，2023年，2月20日，星期三比尔定律：实验表明：在浓度较低的溶液中，吸收系数a与溶液浓度C成正比，a=A·C。A为与溶液浓度C无关的常数，表征物质的分子特性。代入a与C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I可得溶液的浓度C。第3页，共13页，2023年，2月20日，星期三2·2吸收类型一般吸收：a值很小且不随波长发生明显变化，即呈现所谓“透明”状态。选择吸收：a值很大且随波长发生急剧变化，即呈现“不透明”的状态。吸收普遍存在于一切介质中，任何介质中都可发生两种类型的吸收，关键取决于波长。2·3吸收光谱产生连续光谱的光源在通过介质后会产生吸收，所形成的光谱为吸收光谱，如图6－5所示。吸收系数大的位置出现谱线消失。用途：物质的定量分析；气象、天文研究。第4页，共13页，2023年，2月20日，星期三

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。

3·1散射类型

1、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比波长更小的、折射率不同的其他物质的微粒。

2、分子散射发生于表面看来均匀纯净的介质中。原因是介质中分子密度起伏破坏了介质的均匀性而导致。§3光的散射第5页，共13页，2023年，2月20日，星期三3·2散射定律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，表现为正常传播方向上光强的减弱，故可用朗伯定律描述：

s称散射系数，出射光仍为自然光。散射光的光强:

设观察方向与正常传播方向之间的夹角为，散射光强为：

注意，观察面为X-O-Z平面，参见图6--8。第6页，共13页，2023年，2月20日，星期三3·3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，短波占有明显优势，即有的关系成立，这个关系称为瑞利定律。3、散射光的偏振特性：在垂直于光束的方向上（z）观察，散射光为平面偏振光。其他方向上（y,c）观察到的是部分偏振光。3·4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。第7页，共13页，2023年，2月20日，星期三

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。

4·1色散现象与经典电磁理论的矛盾由麦克斯韦方程组可得：

由此可得n与频率、波长无关。§4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。第8页，共13页，2023年，2月20日，星期三

物质的色散特性可用角色散率D描述：对棱镜表征关系的存在，即表征物质的色散特性。

4·2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6－12。对棱镜有最小偏向角,0可表示谱线的移动距离，即谱线可表示出n～之间的关系。色散曲线：第9页，共13页，2023年，2月20日，星期三

实验中通过测定不同波长的光对应的0，得出n

～关系，即为色散曲线。插图6---14：色散曲线的特点：

1、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。

3、波长一定，介质的折射率越大，色散曲线斜率越大。第10页，共13页，2023年，2月20日，星期三特点：1、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a、c）。

3、折射率大则角色散率大，光谱展开得宽（比较a、b）。色散光谱：利用摄谱仪拍摄了几种物质的色散光谱如下：第11页，共13页，2023年，2月20日，星期三由上两式可得：,与正常色散曲线、光谱的特点相吻合。4·3色散类型及方程正常色散：

特点：波长变大时，折射率值n变小，角色散率D变小。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n

与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。当波长变化范围不大时，科希方程可取近似形式：

第12页，共13页，2023年，2月20日，星期三反常色散：

在某些波段会出现，波长变大时折射率值增大的现象，这称为反常色散。反常色散同样是物质的普遍性质。反常色散与选择吸