11.3金属和11.4吸收

1、前面，我们在没有传导电流和自由电荷的介质中，根据麦氏方程组和电磁场的边界条件讨论了光在介质分界面上的反射和折射,11.3 光在金属表面的反射和投射,此处，我们讨论光在金属表面的反射和折射情况。与前面的介质相比，金属最显著的特点是：金属内部存在着大量的自由电子，在外界电场的作用下，金属中能够产生传导电流；电导率很大。,一般金属导体(/)在10-17s左右，因此，当外界光波频率1017Hz时，金属均可以看成良导体； 研究表明，当外界电磁波的频率满足1017Hz时，金属中的自由电子只分布与金属表面，体电荷密度=0，在金属表面形成表层电流（j=E）； 表层电流将使入射光波产生强烈的反射，是透射光波迅速

2、耗散为电流的焦耳热,此处定义如下几个参量：,复折射率,复相位速度,复介电常数,这里，n是金属的折射率，等价于电介质折射率，决定光波在金属中的传播速度；是衰减系数，决定光波在金属中传播时振幅的衰减特性。,复波矢,这里，沿x方向行进的平面波表示成,沿x方向行进的平面波,表示金属中光波的振幅，随着光波进入金属中的深度x的增加，振幅按指数形式急剧衰减,穿透深度：当光的振幅下降到界面上的1/e时，光进入到金属中的深度,银：穿透深度为2.73nm，铜说穿透深度为3nm。,因为存在大量自由电子，金属存在明显吸收，其中电磁波的衰减比倏逝波要快，所以一般是非透明的,11.4 光的吸收、色散和散射,前面几章讨论了

3、光在均匀介质中传播时，因光的波动性所产生的一系列现象和规律。实际上，由于光在传播过程中与介质的相互作用，还会使光的特性发生某些变化。,例如：因介质对光波的吸收, 会使光强度减弱;不同波长的光在介质中传播速度不同, 并按不同的折射角散开，会发生光的色散; 光在介质中传播时,因为微小粒子的作用会产生散射。,光的吸收,所谓光的吸收，就是指光波通过介质后，光强度减弱的现象。,光吸收是介质的普遍性质，除了真空，没有一种介质能对任何波长的光波都是完全透明的，没有吸收，只能是对某些波长范围内的光透明，对另一些范围的光不透明。,所以确切地说,石英对可见光吸收很少，而对(3.55.0)m 的红外光有强烈的吸收。

4、,光吸收的一般规律,光在均匀介质中传播，经过薄层 dl 后，由于介质的吸收，光强从 I 减少到 (I - dI) 。朗伯总结了大量的实验结果指出,dI / I 应与吸收层厚度 dl 成正比,即有, 为吸收系数,负号表示光强减少。它在数值上等于光因吸收而强度减弱到1/e时透过的物质厚度,对于可见光，金属 106cm-1，玻璃： 10-2cm-1 ，而一个大气压下空气: 10-5cm-1 。,I0 是 l0 处的光强，这个关系式就是著名的朗伯定律或吸收定律。实验证明，这个定律在线性范围内是相当精确的,并且也符合金属介质的吸收规律。,求解上面微分方程可得：,大量实验证明，吸收系数是波长的函数。因此，

5、物质对光的吸收具有波长选择性。,根据 随波长变化规律的不同，将吸收分为一般性吸收和选择性吸收。,一般性吸收：在一定波长范围内,若吸收系数 很少，并且近似为常数。选择性吸收：如果吸收较大,且随波长有显著变化。,当白光射到红玻璃上时，只有红光能够透过，我们看到它呈红色。如果红玻璃用绿光、蓝光和紫光照射，因为强烈的吸收玻璃看起来将是黑色。,例如，在可见光范围内，一般的光学玻璃吸收都较小，且不随波长变化，属一般性吸收，而有色玻璃则具有选择性吸收。,普通光学材料在可见光区都是相当透明的，它们对各种波长的可见光都吸收很少。但是在紫外和红外光区,它们则表现出不同的选择性吸收，如表所示。,在制造光学仪器时,

6、必须考虑光学材料的吸收特性。例如，紫外光谱仪中的棱镜、透镜需用石英制作；红外光谱仪中的棱镜、透镜则需用萤石等晶体制作；可见光中的元件可选用玻璃,介质的吸收系数及随光波长的变化关系曲线称为该介质的吸收光谱。,大量实验指出，物质的吸收线的位置与该物质的发射光谱的位置一致,应用一：利用物质的吸收光谱来分析物质中的元素成分,它们的波长及太阳大气中存在的相应吸收元素的关系如下：,应用二：通过对原子吸收光谱的定量和定性分析来发现新的元素并测得其含量。,应用三：利用固体、液体分子的红外吸收光谱，鉴别分子的种类，测定分子的振动频率，分析分子的结构。,应用四：研究大气的光学性质与“窗口（对某种波段无吸收）”的关

7、系,有助于红外导航、跟踪等工作的进行。,光的色散,光在物质中传播时，其折射率（传播速度）随光波频率（波长）而变的现象称为光的色散。,观察色散现象的最简单方法是利用棱镜的折射。,折射率随着波长增加而减小的色散叫正常色散，与物质的透明区（吸收很小）相对应。其特点是,折射率随着波长增加而增加的色散叫反常色散，与物质的吸收区相对应。,波长愈短，折射率愈大； 波长愈短，折射率随波长的变化率愈大； 波长一定时,折射率愈大的材料,其色散率也愈大。,光的散射,光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向, 向四周散射的现象，叫光的散射。,散射和吸收：由于光的散射是将光能散射到其它方向上，而光的吸收则是将光能转化

8、为其它形式的能量，所以从本质上说二者不同。,但是在实际测量时，很难区分开它们对透射光强的影响。因此，在实际工作上通常都将这两个因素的影响考虑在一起。,根据散射光的波矢K 和波长的变化与否，将散射分为两大类：,一类散射是散射光波矢k变化，但波长不变化，也就是说波矢的模不变，而方向发生改变(瑞利散射，米氏散射和分子散射)，,另一类是散射光波矢 k 和波长均变化(喇曼散射，布里渊散射等)。,瑞利散射（波长远大于散射粒子的线度）的主要特点,散射光强度与入射光波长的四次方成反比，即,I(，) 为相应于某一观察方向(与入射光方向成角)的散射光强度。该式说明，光波长愈短，其散射光强度愈大，由此可以说明许多自

9、然现象。,天空为什么呈现蓝色呢?由瑞利散射定律可以看出在由大气散射的太阳光中，短波长光占优势。,红光波长( 720nm)为紫光波长(400nm ) 的1.8 倍,因此紫光散射强度约为红光的(1.8)410 倍。,太阳散射光在大气层内层,蓝色的成分比红色多,使天空呈蔚蓝色。,为何正午的太阳基本上呈白色,而旭日和夕阳却呈红色?,正午太阳直射,穿过大气层厚度最小, 阳光中被散射掉的短波成分不太多, 因此基本上呈白色或略带黄橙色。,早晚的阳光斜射,穿过大气层的厚度比正午时厚得多,大气散射掉的短波成分,透过长波成分，所以旭日和夕阳呈红色。,红光透过散射物的穿透力比蓝光强，所以在拍摄薄雾景色时，可在照相机

10、物镜前加上红色滤光片以获得更清晰的照片。,红外线穿透力比可见光强，常被用于远距离照相或遥感技术。,散射光强度随观察方向变化。自然光入射时，散射光强 I( ) 与 (1+cos2) 成正比。,散射光是偏振光（完全偏振光或部分偏振光），该偏振光的偏振度与观察方向有关。,瑞利散射光的光强度角分布和偏振特性起因于散射光是横电磁波。,图中的入射光可分解为沿 y 方向和 z 方向的两个光振动，其振幅相等，AyAzA0。,自然光沿 x 方向入射到介质的带电微粒 e 上，使其作受迫振动。,假设考察位于 xey 面内的 P 点，散射光方向 eP与入射光方向成 角，则其两个光振动分量的振幅分别为 AzAzA0 和 AyAycosA0cos。,由于散射光两个振动分量的大小与散