第六章光的吸收、散射和色散（Adsorption Scattering and Dispersion of Light ）⒈光束越深入物质，强度将越减弱； 光通过物质时其传播情况就会发生变化：⒉光在物质中传播的速度将小于真空中的速 度且随频率而变化——光的色散①光的能量被物质吸收——光的吸收；②光向各个方向散射——光的散射6.1 电偶极辐射对反射、折射现象的解释1、电偶极子模型（理想模型）用一组简谐振子来代替实际物质的分子，每一振子可认为 是一个电偶极子，由两个电量相等，符号相反的带电粒子 组成，电偶极子之间有准弹性力作用，能作简谐振动两种振子：电子振子：核假定不参加运动，准弹力的中心分子振子：质量较大的一个粒子可认为不参加运动电偶极子模型2、电偶极辐射对反射和折射现象的初步解释解释1：各向同性均匀物质中的直线传播解释2：反射与折射解释3：布儒斯特定律6.2 光的吸收（Absorption of Light） 1．一般吸收和选择吸收（normal absorption & selective absorption） 吸收很少，且在某一给定波段内几乎不变 吸收很多，且随波长而剧烈地变化。
例如石英对可见光吸收甚微，但是对3.5~5.0 的红外光却强烈吸收 一般吸收 选择吸收 §6.1 光的吸收6.2 光的吸收（Absorption of Light） 2．朗伯定律 能量观点稀溶液： ，式中A是一个与浓度无关d的常量，C为溶液的浓度 ， 为吸收系数 §6.2 光的散射 Scattering of Light光线通过均匀的透明介质(如玻璃、空气、清水） 时，从侧面是难以看到光线的如果介质不均匀 ，如有悬浮微粒的浑浊液体，我们便可从侧面清 晰地看到光束的轨迹，这是介质中的不均匀性使 光线朝四面八方散射的结果 定义：由于介质中存在的微小粒子或分子对光的 作用，使光束偏离原来的传播方向或波长发生变 化，向四周传播的现象，称为光的散射光的散射可分为两大类：散射光的波长不变散射光的波长改变瑞利散射米氏散射拉曼散射（Raman1928）布里渊散射Brillouin1921瑞利散射：散射粒子的线度小于光的波长的十分之 一，则称为～米氏散射：散射粒子的线度与光波长同量级或大于 光波波长的散射，称为～二. 瑞利散射定律光学性质不均匀的介质，可能是由于均匀物质中散布着 折射率与它不同的其它物质的大量微粒，也可能是由于 物质本身的组成部分（粒子）的不规则聚集；早在1869年爱尔兰物理学家亭德尔 (Tyndall， 1820-1893) 就对混浊介质的散 射现象做过大量的实验研究。
尤其对于线 度小于波长的微粒因此瑞利散射有时又 称亭德尔效应例如尘埃、烟（大气中散布着固态微粒）,雾（空气中散布着 液态微粒），悬浮液（液体中悬浮着固态微粒），乳状液（ 一种液体中悬浮着另一种液体而不能互相溶解），如水中加 入几滴牛奶，等等这样的物质称为混浊介质在亭德尔的基础上，英国物理学家瑞利于1899年对小 粒子散射又进行了研究实验装置如图透 射 光散射光检偏器探测器实验发现：从容器侧 面看到的散射光，带 有青蓝色，透射光则 带有红色瑞利（Lord Rayleigh ,1842 -1919） 1904年 诺贝尔物理学奖获得者进一步研究表明，散射光的强度与光波波长的四次方 成反比，可表示为：——称为瑞利散射定律根据瑞利散射定律，可以对前面的实验现象作出很好 的解释假设白光中波长为720nm的红光与波 长为440nm的青蓝光具有相同的强度 ，由于两种波长之比为：所以散射光中，蓝光的强度与红光强度之比为： 可见散射光中蓝光的强度约为红光强 度的7.2倍，因此透射光中所含的红光 成分就较多，故带红色表面上看起来是纯净均匀的介质，由于分子的热运动 使分子密度有涨落而引起的散射，称为分子散射分 子散射也满足瑞利散射定律。
用以上的散射理论可以解释许多我们日常熟悉的自 然现象，如天空为什么是蓝的？旭日和夕阳为什么 是红？以及云为什么是白？等等首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光 的结果如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空 ，将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中这景 象是宇航员司空见惯了的按瑞利定律，由于大气的散射，白光中的短波成分（ 蓝紫色）遭到散射比长波成分（红黄色）强烈得多，散射 光乃因短波的富集而呈蔚蓝色所以每当大雨初霁、澄清 了尘埃的时候，天空总是蓝得格外美丽可爱，其道理就在 这里. 旭日和夕阳呈红色，与天空呈蓝 色属于同一类现象，由于白光中 的短成分被更多地散射掉了，在 直射的日光中剩余较多的自然是 长波成分了早晚阳光以很大的倾角穿过大气层 ，经历大气层的厚度要比中午时大 得多，从而大气的散射效应也要强 烈得多，这便是旭日初升时颜色显 得特别殷红的原因 因为红光透过散射物的穿透能力比蓝光强，因此通常情况 下，危险信号灯、交通禁行灯等采用红色，使有关人员在 能见度低的情况下，能尽早发现采取措施当散射粒子的线度大于十分之几波长，甚至与波长相 当时瑞利散射定律不再成立，此为大粒子散射，称为 米氏散射。
米（G.Mie)和德拜(P. Debye)以球形质点为模型计算 了电磁波的散射米－德拜的计算表明，只有球半径满足下列条件时 ，瑞利散射定律才是正确的当a较大时，散射强度与波长的依赖关系就不明显 了，米－德拜的计算结果如图当入射光的波长大于十分之一时，散射光的强度与波 长的依赖关系不明显因此散射光的颜色与入射光相 近，白光入射将观察到白色的散射光这就是云雾呈白色的缘故 例如，点燃的香烟冒出蓝色的烟，但从口中吐出的烟却 是白色的Why？这是因为组成烟的微小颗粒蓝光散射强烈——瑞利散射 ；而从口中吐出的烟，由于凝聚了水蒸气在其上，颗粒 变大——属于米氏散射，故呈现白色当光通过介质时，不仅介质的吸收使透射光强减弱，由于 光的散射也使使射入介质的光强按指数形式衰减，因此， 穿过厚度为l 的介质透射光强为：为吸收系数，为散射系数，+就称为衰减系数在 很多情况下，和中一个往往比另一个小很多，因而可 以忽略三. 散射光强的角分布和偏振态实验表明，散射光的强度随光的方向而变化，自然 光入射时，散射光强满足下式：是散射光方向与入射光方向之间的夹角入射光方向散射光方向可见，散射光 强的分布是对 于光的传播方 向及垂直于光 的传播方向是 对称的。
假设入射光是线偏振的，传播方向沿着Z轴，如图设 在各向同性的介质中有一粒子P当光与粒子相遇时，使P作 受迫振动，所形成的电矢量 也平行于X轴由此产生的 次波为球面波光波又是横 波，振动方向与传播方向垂 直在各个方向的振幅应等 于最大振幅在相应方向的投 影虽然从光源发出的光是自然光，但从正侧方用检偏器检 查发现，散射光是线偏振的，沿着斜侧面观察发现是部 分偏振光，只有正对着入射方向观察时，透射光才是自 然光因此，在赤道平面ABAB 上的个电的振幅最大，在 两极D和D处，振幅等于 零不在赤道平面的任一点F越 靠近赤道平面振幅越大如果入射光的矢量E改为平行于Y轴线偏振光，则散射 光的振幅情况将上图转90°即可得到自然光的电矢量在xoy平面内沿着一切可能的方向振动 ，可平均分成沿着x和y方向振动的两个线偏振光被粒 子散射时，各个方向上的振幅可看成是以上两个分振动 的合成如图图中可以看出，沿着PA、 PA、PD、PD、PF等正 侧面观察时，散射光都是 线偏振光振动面垂直于 入射光的传播方向沿着光的传播方向仍为 自然光；从其他方向观 察时，散射光是部分偏 振光以上讨论的散射介质，假设它的分子本身是各向同性 的。
如果介质分子本身就是各向异性的，情况就要复 杂的多例如当线偏振光照射某些气体或液体时，从侧面观察 时，散射光变成了部分偏振光（有些情况透射光也变 成了部分偏振光）这种现象称为退偏振以Ix和Iy分别表示散射光沿着x轴和y轴振动的强度，则 散射部分偏振光的偏振度为：通常又引入退偏振度的概念：例如：退偏振这一现象的解释也是瑞利提出的他认为退 偏振度与散射分子的光学性质各向异性有关在这 种分子里电极化的方向一般不与光波的电矢量方向 相同测量退偏振度可以判断分子的各向异性，因 此也可以用来判断分子的结构§6.3 光的色散 Dispersion of Light光在介质中的传播速度v 随波长而异的现象，亦即介质 的折射率随着波长而变化，这种现象称为光的色散 1672年牛顿首先利用三棱镜的色散效应把日光分解为 彩色光带为了表征介质折射率随波长的变化快慢程度和趋势，引 入介质色散率的概念 定义为：介质的折射率对波长的导数，即介质的色散率 为：dn/d一. 正常色散测量不同波长的光线通过棱镜的偏转角，就可算出棱 镜材料的折射率n与波长λ之间的依赖关系曲线，即色 散曲线实验表明：凡在可见光范 围内无色透明的物质，它 们的色散曲线形式上很相 似，其间有许多共同特点 ，如n随λ的增加而单调下 降，且下降率在短波一端 更大，等等。
这种色散称 为正常色散当白光通过介 质发生正常色 散时，白光中 不仅紫光比红 光偏折的厉害 ，而且在所形 成的光谱中， 紫端比红端展 得更开1836年科希（A.L.Cauchy， 1789-1857)给出一个正常色散 的折射率随波长变化的经验公 式正常色散的经验公式：上式称为科希公式，式中A，B，C是与物质有关的常 数，其数值由实验数据来确定，当波长变化范围不大 时，科希公式可只取前两项，即则介质的色散率为：A、B均为正值，上式表明，折射率和色散率的数值都 随波长的增加而减小，当发生正常色散时，介质的色 散率小于零对介质有强烈吸收的波段称为吸收带实验表明，在强 烈吸收的波段，色散曲线的形状与正常色散曲线大不相 同 二. 反常色散若向红外区域延伸， 并接近吸收带时，色 散曲线开始与科希公 式偏离（见图中R点 ）如图所示为一种在可见光区域内透明的物质（如石 英）在红外区域中的色散曲线，在可见光区域内色散是 正常的，曲线（PQ段）满足科希公式在吸收带内因光极弱，很难推测到折射率的数据过 了吸收带，色散曲线（ST段）又恢复正常的形式，并 满足科希公式 在吸收带内，折射率随波长的增加而增加，即dn/d >0, 与正常色散相反，这种现象称为反常色散。
应该指出：所谓“反常”只是历史上的原因现象本身 恰反映了在吸收带内普遍遵从的色散规律所有介质在透明波段 表现出正常色散；而 在吸收带内表现出反 常色散三. 色散的观察1672年牛顿首先利用交叉棱镜法将色散曲线非常直观 地显示出来，交叉棱镜装置如图所示 如果制做棱镜P1和P2材料的色散规律（即n 与 λ的依赖 关系）不同，倾斜光带a'b'将是弯曲的，它的形状直观 地反映了两种材料色散性能的差异 1904年伍德（R. W. Wood)曾用交叉棱镜法观察了钠蒸汽 的色散他的装置如图所示 当钠被蒸发时，由于管V内蒸汽的色散作用，不同波 长的光不同程度地向下编折，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，变成图 所示的样子6 .5、色散的经典理论设 不是恒量，而是随着频率变化，那么仍可由麦氏 关系来推得色散方程由洛伦兹的经典电子论，得到电磁场频与介电常数的关系，由此得到与折射率的关系，解决了麦克斯韦理论的最初困难,阐明了色散现象利用电偶极子模型最后可得到即柯希公式分光仪器则是观察由色散和衍射所引起的光谱结构摄谱仪是一种精密的分光仪 器，在分辨所摄光谱中两个波长很靠近的 谱线时，也有分辨本领的限制。
摄谱仪通 常有棱镜摄谱仪和光栅摄谱仪两种，我们 主要讨论光栅光谱仪的分辨本领分光仪器的分辨本领返回将光栅方程的衍射角对波长求导，即 得光栅的角色散率光栅光谱仪的线色散率，定义为式中 为会聚透镜的焦距每一谱线实际上是光栅衍射花样的主极大亮条。