光的吸收、色散和散射

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1、光学教程专题光的吸收、色散和散射6/10/20210专题光的吸收、色散和散射研究的主要问题：光经过介质时吸收规律的描述；光波色散及相速和群速问题；光的瑞利散射和米氏散射。要点：1.从经典电磁理论角度讨论光的色散和散射；2.对波的群速和相速及其色散参数间的联系；3.不同散射的特点；6/10/20211吸收定律光的强度随着进入介质的深度而减小的现象，称为光的吸收。§1光的吸收式中称为该介质的吸收系数。积分有：实验证明：1729年，Bouguer导出；1760年，朗伯做了详细说明。故常称为布格定律或朗伯定律。非线性时呢？6/10/20212溶液的B

2、eer定律：对于溶液，实验表明，其吸收系数与其浓度C成正比：Beer定律只有每个分子的吸收本领不受周围分子影响时才成立，当溶液浓度大到足以使分子间的相互作用影响到它们的吸收本领时，就会发生对比尔定律的偏离。6/10/20213溶液的Beer定律：对于溶液，吸收系数与其浓度C成正比：为说明介质的吸收，还可引入衰减系数：此时吸收定律可表为：Beer定律只有每个分子的吸收本领不受周围分子影响时才成立，当溶液浓度大到足以使分子间的相互作用影响到它们的吸收本领时，就会发生对比尔定律的偏离。6/10/20214复数折射率：吸收造成光波振幅衰减，平面光波传

3、播有：平面波函数可表为：将指数写到一起，有：复数n称为介质的复折射率，其实部表示介质的折射率，虚部n表示波产生的衰减。6/10/20215复数折射率：透明介质折射率是真空光速与介质中光速之比：n=c/v；介质中平面光波的传播可写为：若形式地把折射率看成是复数，记为：其中n和均为实数，则光波传播和光强有：此即代表了一个随距离x衰减的平面波，称为衰减指数。介质的吸收可归并到一个复折射率中去，其虚部n反映了因介质吸收产生的波的衰减。对比朗伯定律可见：6/10/20216光的吸收与波长的关系：普遍吸收：若物质的吸收系数与无关，则称为普遍吸收

4、。（空气、纯水、无色玻璃……）讨论：从广阔的电磁波谱来考虑，普遍吸收的介质是不存在的。在可见光范围内普遍吸收的物质，往往在红外和紫外波段进行选择吸收。选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律。常见光学材料的透光极限选择吸收：若物质对某些波长的光的吸收特别强烈，则称为选择吸收。（绝大部分物体呈现颜色，都是其表面或体内对可见光进行选择吸收的结果。）6/10/20217吸收光谱：当具有连续光谱的白光通过吸收物质后，通过光谱仪分析，即可观察到其“吸收光谱”。物质的发射光谱有多种－－线光谱、带光谱、连续光谱等；大致地，原子气体的光谱是线光谱、分子气体、液体和

5、固体的光谱多是带光谱。吸收光谱的情况也是如此。6/10/20218吸收光谱：同一物质的发射光谱和吸收光谱有相当严格的对应关系；若其自身发射某些波长的光，则其也强烈地吸收哪些波长的光。氢发射光谱与吸收光谱6/10/20219吸收光谱：太阳光谱是典型的暗线吸收光谱；其暗线称为Fraunhofer谱线。这些光谱是处于温度较低的太阳大气中的原子对更加炽热的内核发射的连续光谱进行选择吸收的结果。太阳光谱与Fraunhofer谱线6/10/202110较强的夫琅禾费谱线6/10/202111光在媒质中的色散媒质的折射率随入射光波长而变化的现象称为色散。其折

6、射率与波长的函数关系n=f()称为色散曲线。1672年，牛顿，三棱镜的色散，交叉棱镜法显示色散曲线。§2光的色散6/10/202112正常色散：在可见光范围内无色透明的物质，色散曲线很相似：1.n随的增加而单调下降；2.下降率在短波一端更大。这样的色散称为正常色散。1836年，Cauchy给出经验公式(柯西公式)：式中A、B、C是与具体媒质有关的常数。6/10/202113反常色散：强烈吸收的波段，色散曲线如何？1904年，R.W.Wood用Na蒸汽进行吸收实验。在钠的吸收线附近，分光仪焦面上的水平光谱带被严重扭曲和割断，显示了“反常色散”

7、现象。注意：所谓“反常色散”是任何物质在吸收线或吸收带附近所共有的现象。6/10/202114反常色散：石英在红外区域中的反常色散曲线6/10/202115反常色散：一种媒质的全部色散曲线共同特性：在相邻两个吸收线(带)间n单调下降，每经过一个吸收线(带)n急剧加大，曲线随波长的增加而抬高，即正常色散区域所满足的Cauchy公式常量A加大；对于极短波，n略小于1。6/10/202116光的发射、吸收和色散的经典电磁理论：洛仑兹模型：将原子看成是一系列弹性偶极振子的组合，每个振子的固有频率对应一条光谱线。这是原子经典振子模型。光的发射与吸收：可简

8、化视为外交变电场与振子固有频率的受迫共振；频率一致者被原子强烈吸收，原子再做为子波源发射同频率波。至于光的色散，则需要考虑由于共振引起的电子的位移，位