2.5光的吸收、色散和散射(100824).ppt

1、2.5 光的吸收、色散和散射,光的吸收,单色平行光，穿透媒质，I(x) ，, ，得,一. 光强 ( 因吸收而减弱 ) 的规律,再经 dx ，改变 dI,朗伯定律,Absorption,上式称为布格尔定律或朗伯定律，它是布格尔 ( P. Bouguer, 1698 1758 ) 在1729年发现的，朗伯 ( J.H. Lambert, 1728 1777 )在1760年重新作了表述。,二. 普遍吸收和选择吸收,吸收与波长的关系。,在广阔的波段上，每种物质都有其选择吸收波长。,普遍吸收：吸收系数与波长无关，吸收程度几乎相等。空气、纯水、无色玻璃等在可见光范围,“大气窗口”,三. 吸收光谱,Frau

2、nhofer 谱线: 太阳光谱是典型的暗线吸收光谱，在其连续光谱的背景上呈现有一条条的暗线。氢、氦、钠、氧、铁、钙等,原子吸收光谱: 化学定量分析,色散 Dispersion,同一物质中，折射率n和波长 有关的现象叫色散。,色散率D：,若1和2对应的频率为n1和n2，则1到2的波长区间的平均色散率为,一. 正常色散和反常色散,在所取的频段中，若折射率 n 随波长 的增加而单调下降，则称之为 正常色散。 无色透明材料( 例如玻璃 ) 在可见光范围是正常色散。,较窄波段范围,在吸收带附近，n 随波长的改变而急剧改变(且因有强烈吸收，不易观察)，吸收带两边 较大的一侧 n 较大，这叫做 反常色散。(

3、 历史遗留的称呼),观察钠蒸气反常色散的实验装置（R. W. Wood, 1904）,充满碘蒸气的三棱柱形容器，红光比蓝光偏折更大（F. P. Leroux, 1862）,石英的色散曲线,反常色散总是与光的吸收有密切联系，一种物质在某一波长区域内有反常色散时，则在该区域内也有强烈的吸收。,固有频率0附近的折射率与吸收（经典电子理论）,在反常色散区内出现折射率随频率的增大而减小的现象。,反常色散曲线,特点：折射率随波长的增大而增大，即色散率,二. 一种物质的全部色散曲线,一般特征：一系列吸收带，两相邻吸收带之间，n 随 的增加而单调下降。每经过一个吸收带，n 显著增大。曲线总趋势是随 增加而抬高

4、。,任何物质共有的现象：在物质的吸收带范围内存在反常色散，而在吸收带以外或两个吸收带之间则存在正常色散。,光的相速度：,波面或相位的传播速度，以vp表示。,Phase velocity,对于严格的单色光，波速是指等相位面传播的速度，即相速度p,相位不变的条件是：,实际的波列（复色光）相当于许多单色波列的叠加，其形状构成一种波包。当波包通过色散介质时，各个单色分量将以不同的相速度向前传播，导致波包在向前传播的同时，形状也随之改变，使得波包的传播速度与各波列的相速度发生改变。,假设一波包由两个单色波列组成，其瞬时光振动波函数为,，,，,，,，,群速度：波包的等幅面的移动速度,群速度与相速度的关系：

5、,对正常色散：dn/dlc/vp ；,对反常色散：dn/dl0，故vgvp，c/vgc/vp。,群速折射率,结论： 所有通过信号法测定的光速，都是光波的群速度，或信号速度。 所有通过折射率法测定的光速，都是光波的相速度。 在真空及无色散介质中，两者完全一致，但在色散介质中，两者却有所差异。,准单色波包及其群速,只有在弱色散介质内，对准单色波，一个波包才能传播较长距离而不发生显著的形状变化。,光的散射 Scattering,概念：光波通过透明介质时，在入射光的作用下，原子、分子或散射介质的电子作受迫振动并辐射次波，由于介质随机的微小不均匀性导致部分光波偏离原来的传播方向而向不同方向散开的现象。,

6、当介质密度的随机不均匀性或杂质微粒的线度和光波长相当或比光波长更大的情况下，各个微粒中正动偶极子发射的光波位相随机变化，散射光不因干涉而相消。光强度强度减弱,在光学均匀介质中不产生光散射现象。,两类：（1）散射光波长不变，（2）散射后光波波长改变,1瑞利散射：小颗粒散射,1904年获诺贝尔物理奖,线性散射-散射光波长(或频率)不变,瑞利散射定律-,自然光入射产生的散射光强：,散射光是偏振光,各向同性介质，偏振度为,2米-德拜 散射：大颗粒散射，与波长关系不明显。,差不多与此同时，前苏联物理学家曼杰利斯塔姆等人，在研究光在晶体上发生的散射光光谱时，也独立地发现了这种散射现象，他们把它称为联合散射

7、。意思是说，这是光波和分子内的原子联合行动所造成的散射。,非线性散射有新频率的光产生,拉曼散射实验装置,氢的拉曼光谱,汞弧灯,装满水的玻璃管,反射镜,液体，晶体，入射光 0 ，,散射光 ，除了有 0 的以外，还有,( 很弱 ),各 i 与 0 无关，只由散射物质决定， i 是样品在红外的一条谱线的频率。,有分子振动参与的光散射过程，是研究分子结构、测量大气污染的一种重要工具。此后，布里渊（Brillouin）散射.,例 强度为I0的单色光垂直入射到有色玻璃片上，玻璃片的厚度为l，吸收系数为，折射率n=1.5。1. 试求透射光强和入射光强之比（不计多重反射）。2. 试求由于不计光强的反射损失而引起的相对误差是多少? 假设能量反射率R很小。3. 试问在测量玻璃片的吸收系数的实验中，怎样消除由于反射引起的误差？,解： 1. 在玻璃片第一界面上反射的光强 为,进入玻璃片的光强为,传播l距离后的光强为,在玻璃片的第二界面上反射的光强 为,故透射光强为,透射光强与入射光强之比为,由菲涅耳公式，正入射时的能量反射率R为,因此，不计反射损失引起的光强之比的绝对误差为,相对误差为,3