第四章光的吸收散射和色散PPT课件

《第四章光的吸收散射和色散PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章光的吸收散射和色散PPT课件（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学第四章光的吸收散射和色散第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学2 前面三章重点讨论了光的传播的一些特性，这章开始讨论光与物质的相互作用。这类现象的研究有两方面的意义：一方面进一步了解光的本性，另一方面可得到许多有关物质结构的信息。第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学3光射入媒质，主要发生两个方面的变化： 强度逐渐减弱 吸收和散射速度小于 ，且随 变化 色散 本章定性讨论光的吸收，散射和色散现象及其经典解释。光与物质相互作用的严格理论由量子力学与量子电动力学讨论。第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学一 电偶极子模型 光 物质，物质中分子，

2、原子或离子中电荷在 作用下受迫振动。分子看作作简谐振动的电偶极子 理想模型 振子在振动时，发射次级电磁波。 此模型是粗略的，却有一定的实验基础（如高温低压气体会发射或吸收特定频率的光波），也能定性解释一些现象，并为用量子理论解释作准备。4-1分子光学的基本概念 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学二 对反射和折射现象的初步解释 “次波合成” （阅书P378）4-1分子光学的基本概念 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学4-2光的吸收 除了真空，没有一种物质对电磁波是绝对透明的，光进入物质，使带电粒子受迫振动，一部分光能 振动能 平均动能。使分子热运动能量增加，即光能转化成热能，光能

3、减少 吸收。 分子碰撞第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学一 吸收的线性规律 1.朗伯定律 实验表明，在相当广阔的光强范围即：光通过 4-2光的吸收 比例系数 与光强无关（对给定波长） 该物质的吸收系数第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学若光通过厚度为 的媒质 朗伯定律（J.H.Lambert，1729）亦称为布格尔定律（P.Bouguer，1729）4-2光的吸收 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学2.比尔定律 实验证明：当光被透明溶剂中溶解的物质所吸收时， 与浓度 成正比。 是一个与浓度无关的常数。（表征吸收物质的分子特性）比尔定律 它适用于浓度不太大的情况。这是吸收光

4、谱分析的原理。4-2光的吸收 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学 光吸收的线性规律（如上）：在光强不太强时(Laser出现以前)相当精确，Laser发明后，人们获得了光强比原来大几个乃至十几个数量级的光源，光和物质的非线性作用显示出来 非线性光学 。这时， 将与其它许多系数 (如n )一样，与电、磁场或光强有关，朗伯定律不再成立。3.说明 4-2光的吸收 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学二 光的吸收与波长的关系 可见光范围内普遍吸收 光通过媒质只改变强度不改变颜色。1.普遍吸收（一般吸收）：某物质对各种波长的光的吸收程度几乎相等，即 与 无关（如空气，纯水，无色玻璃等在可见光

5、范围内）2.选择吸收：物质对某些波长的光的吸收特别强烈。对可见光的选择吸收，会使白光 彩色光 4-2光的吸收 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学 绝大部分物体呈现颜色，都是其表面或体内对可见光的选择吸收的结果。 选择吸收是光与物质作用的普遍规律，对广阔的电磁波谱而言，普遍吸收的媒质不存在。 如地球大气对可见光和 的紫外线透明。 的紫外线被臭氧强烈吸收。对红外线，大气只是在某些狭窄波段内透明 大气窗口。这里吸收物质是水蒸汽。研究“大气窗口”的变化在红外技术和气象预报中应用广泛。4-2光的吸收 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学三 吸收光谱 1.光谱实验：观测物质对光的选择吸收。吸

6、收物质白光光谱仪分光计可调谐扫描激光（染料）4-2光的吸收 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学142.吸收光谱 Na蒸气吸收光谱第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学 同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有对应关系。 具有连续谱的光通过吸收物质后再经光谱仪分析，显示出某些波段或某些波长的光被吸收 吸收光谱。 物质的发射和吸收光谱有三种：线光谱（原子气体），带光谱（分子气体，液体，固体）和连续光谱。4-2光的吸收 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学 灵敏度很高，混合物或化合物中极少量原子含量的变化，会在光谱中反映出吸收系数很大的改变 光谱分析（理论研究和生产、生活）。 历史上靠这

7、种方法发现了铯，铷，铊，铟，镓 等新元素。4-2光的吸收 3.应用第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学 He元素的发现：1868(法)严森在太阳光谱中发现一些不知来源的暗线（吸收线），英国天文学家洛克厄把这一现象解释为存在一种未知元素，取名为氦(源于希腊文太阳之意)。此元素直到1894年才被英国化学家莱姆赛从钇铀矿物蜕变出的气体中发现，说明地球上也存在He。4-2光的吸收 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学18 散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也能够清楚地看到这些介

8、质散射的光。这种现象就是光的散射。 下图是1984年9月北京天安门广场激光表演调试时的照片。我们能看到划破夜空，射向天空的激光，就是利用了光的散射现象。4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学19第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学一 光的散射现象 在不均匀媒质中，从侧面能看到光束轨迹，这是媒质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果 散射现象。 总的： ：散射系数 ：衰减系数4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学二 散射与媒质不均匀性的关系 均匀媒质：受迫振动发出的相干次波，相干叠加结果只剩下遵从几何光学规律的光线，沿其余方向振动完全抵消。 散射的经

9、典图像 4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学4-3光的散射 不均匀媒质：（均匀物质中散布着n与它不同的大量其它物质微粒或物质本身组成部分(粒子)不规则聚集），不均匀性达到波长量级，在光波作用下成为差别较大的次波源。这些次波(不)相干叠加结果，与均匀媒质不同，除了按几何光学规律传播的光线外，其它方向或多或少也有光线存在 散射光。第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学若不均匀团块尺度 ，散射又可看成是在这些团块上的反射和折射。4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学按不均匀团块的情况，散射可分为两大类：(1)悬浮质点的散射：如胶体，乳状液，含有烟雾、尘埃

10、的大气等。(2)分子散射：分子热运动造成密度的局部涨落引起的散射。 如：十分纯净的液体或气体，也能产生较微弱的散射。 物质处在临界点时密度涨落很大，会发生强烈的分子散射 临界乳光。4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学三 瑞利散射 天空为什么是蓝色的？ 云朵为什么是白的？（米氏散射，水滴与波长比拟） 朝（晚）霞为什么是红的？1.瑞利散射（Rayleigh） 线度小于光波长的微粒（散射体）对光的散射现象 瑞利散射。4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学散射光强 此定律说明，散射光中短波占优势，故白光的散射呈青蓝色，而通过散射物的光呈红色，这就是红光穿过薄雾

11、能力强的原因（信号灯或信号旗用红色）红外线则更强（红外遥感）。注意此定律只适用于尺度 的小颗粒散射。2.瑞利定律（1871年）4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学 1908和1909年，米(Mie)和德拜(Debye)以球形质点(半径 )为模型作了计算，只有 时，瑞利定律才成立，当 较大时，散射强度几乎与波长无关。4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学四 大气散射自然现象的解释（若无大气，白昼天空是光辉夺目的太阳悬挂在 漆黑的背景中 宇航员是司空见惯了的）1.白昼天空是亮的 大气散射阳光的结果。2.天空呈蓝色，

12、旭日和夕阳呈红色。4-3光的散射 3. 为什么点燃的香烟冒出的烟是淡蓝的，而吸烟者口中吐出的烟却呈白色？第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学3.白云云由水滴组成，其 ，瑞利定律不适用，其产生的散射与波长关系不大（米氏散射），故云雾呈白色 。蓝色4-3光的散射 人朝晚第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学 大气散射一部分来自悬浮的尘埃，大部分是密度涨落引起的分子散射，后者尺度比前者小得多，故瑞利定律的作用更明显。所以雨过天晴，天空总是格外蓝。五 散射光的偏振状态 光源发出自然光，在垂直于入射光的方向上，散射光是线偏振光，在原入射方向上，散射光仍是自然光，沿斜方向观察，散射光是部分偏振光

13、。4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学32偏振性 自然光入射到散射物质中，观察到： 实验 正侧方（z）线偏振 斜方向（C）部分偏振 对着x方向（x）自然光 OxyzBBAAyzPpDD第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学33散射光的偏振性第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学34用电偶极子次级辐射可解释 物理解释 被微粒散射时，各方向上的振幅可看成以上两个分振动的合成。实验现象 分解成+退偏振线偏振光照射某些气体或液体，从侧向观察时，散射光变成部分偏振的，称为退偏振。其机理是介质分子本身是各向异性的。 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学阅 278图 分析

14、各向异性散射介质：偏振度退偏振度4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学36第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学六 散射光强的角分布 观察方向： 自然光束传播方向： ：沿入射光方向 散射光强的 4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学结论： 在垂直于入射光的方向上，散射光是线偏振的，在原入射方向或其逆方向上，散射光仍是自然光，前者的强度是后者的一半，在其它倾斜方向上，散射光是部分偏振的，强度介于前两个极端之间。4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学39散射光偏振性的应用例1. 南北极探险用： “太阳罗盘”（利用阳光散射的偏振性）辨别

15、方向（因磁罗盘在南北极无用）例2. 蜜蜂靠天空光的偏振性辨别方向（蜜蜂的眼睛中有对偏振敏感的器官）第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学七 喇曼散射 1.现象 瑞利散射不改变频率。1928年喇曼和曼杰利什塔姆在液体和晶体散射中发现，散射光中除有与入射光的原频率0相同的瑞利射线外，谱线两侧还有频率为0 1，0 2 ，等散射线存在，这种现象称为喇曼散射。（前苏联称联合散射）4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学2.实验 摄谱仪 水汞弧灯侧面玻璃管柱形透镜 ：散射物质 正面4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学3.喇曼光谱的特征 在每条原始入射谱线 两旁都

16、伴有频率差 相等的散射谱线。在长波一侧的 称为红伴线或斯托克斯线。在短波一侧的 称为紫伴线或反斯托克斯线。频率差 与入射光频率 无关。它们与散射物质的红外吸收频率对应，表证了散射物质的分子振动频率。4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学4.应用 为研究分子结构提供了一个重要工具，用此法可容易、迅速地定出分子振动的固有频率，并判断分子的对称性、内部作用力及研究相关分子动力学问题。 喇曼光谱已成为光谱学的一个重要分支，有了激光后，光强达到一定值，还可出现受激喇曼散射等非线性效应。 （还有布里渊散射）4-3光的散射 第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学44散射与反射、漫反射及衍射现象的区别1.散射与直射、反射及折射的区别“次波”发射中心排列的不同 散射时无规则，而后者有规则。2.散射与漫反射的区别：次波中心的排列仍有某些不同的方向性3.散射与衍射的区别： 衍射：因个别的不均匀区域（孔、缝、小障碍等）所形成的，不均匀区域范围大小。 散射：大量排列不规则的非均匀小“区域”的集合所形成的，非均匀小区域的线度。第三章 光的吸收、散射和色散波动及近代光学一 色散现象 不同频率