物理光学课件及习题第六章光的吸收、色散和散射

教学目标：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 解有关现象的经典理论解释。,第六章 光的吸收、散射和色散,内容分析：第一单元（§1）：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。 第二单元（§2）：光的吸收及规律。 第三单元（§3）：光的散射及规律。 第四单元（§4）：光的色散及规律。,I0,I,I-dI,dx,x,x+dx,l,X,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（IdI），则有 成立,§2 光的吸收,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 液浓度C。,积分可得通过厚度为l的介质后的光强I，,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”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产生吸收，所形成的光谱为吸收光谱，如图65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。,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 光的散射,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。,3·2 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,3·3 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。,光的性质由角的变化而变为偏振度不同的偏振光； 当=90°时为平面偏振光，其余方向为部分偏振 光。,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 光的色散,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。,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。,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612。 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。 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。,光谱图611： 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，光谱就展开的宽 （可比较a、 b）。,色散曲线图614： 特点：1 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 大。 3 波长一定时，介质的折射率越大，则色散 曲线的斜率越大。,4·3 色散类型及方程 正常色散 特点：当波长 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。 当波长间隔不大时，科希方程可取近似形式：,反常色散 在某些波长段会出现波长变大，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 收密切相关，即发生于物质的选择吸收波段附近。 描述反常色散下 n 与 关系的经验公式为塞耳迈耳 方程： 由此式得 当 0时，n ，这是一个缺陷。,由上两式可得： ，与正常色散曲线、光谱的特点相吻合。,