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1、3 光散射 3-1 导言光的波动说与微粒说之争（光的波动说与微粒说之争（17、18、19、20世纪）世纪）笛卡儿（法国数学家、科学家和哲学家）的两种假说：笛卡儿（法国数学家、科学家和哲学家）的两种假说： 光是类似于微粒的一种物质光是类似于微粒的一种物质 光是一种以光是一种以“以太以太”为媒质的压力为媒质的压力 支持波动说支持波动说 ：格里马第（意大利数学家）格里马第（意大利数学家） 、胡克（英国物理、胡克（英国物理学家）、惠更斯（荷兰著名天文学家、物理学家和数学家）、学家）、惠更斯（荷兰著名天文学家、物理学家和数学家）、托马斯托马斯杨杨（英国著名物理学家）、菲涅耳与阿拉戈、夫琅和（英国著名物理
2、学家）、菲涅耳与阿拉戈、夫琅和费（德国天文学家）、施维尔德（德国物理学家）费（德国天文学家）、施维尔德（德国物理学家）支持微粒说：支持微粒说：牛顿、拉普拉斯牛顿、拉普拉斯 、马吕斯、布吕斯特、马吕斯、布吕斯特 、阿拉戈、阿拉戈3 光散射 3-1 导言支持波动说和微粒说：爱因斯坦支持波动说和微粒说：爱因斯坦 n1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性粒子性再一次被证明！再一次被证明！ n二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子学说。二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子学说。 n1905年年3月，爱因斯坦在德国月，爱因斯坦在德国物理年报物理年报
3、上发表了题为上发表了题为关于光的产关于光的产生和转化的一个推测性观点生和转化的一个推测性观点的论文他认为对于时间的平均值，光表现为的论文他认为对于时间的平均值，光表现为波动；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观波动；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观客体客体波动性波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。术界的广泛接受。 n1921年，爱因斯坦因为年，爱因斯坦因为光的波粒二象性光的波粒二象性这一成就而获得了这一成就而获得了诺贝尔物理诺贝尔物理学奖学奖。 n192
4、1年，年，康普顿康普顿在试验中证明了在试验中证明了X射线射线的粒子性。的粒子性。n1927年，杰默尔和后来的乔治年，杰默尔和后来的乔治汤姆森在试验中证明了电子束具有波的性汤姆森在试验中证明了电子束具有波的性质。同时人们也证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质。质。同时人们也证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质。 3 光散射 3-1 导言 光的波动说与微粒说之争最终以光的波粒二象性告终，即：光的波动说与微粒说之争最终以光的波粒二象性告终，即： 光既是一种波也是一种粒子。光既是一种波也是一种粒子。 光具有波粒二象性并不是它的一种存在状态，而是他的一光具有波粒二象性并不是它的一
5、种存在状态，而是他的一种行为状态。它有两种表现形式，有时表现为波动性，有时表种行为状态。它有两种表现形式，有时表现为波动性，有时表现为粒子性。如光发生干涉、衍射时表现出波动性，光的反射现为粒子性。如光发生干涉、衍射时表现出波动性，光的反射现象、折射现象、光电效应或康普顿效应时表现出粒子性。现象、折射现象、光电效应或康普顿效应时表现出粒子性。 光的波动说与微粒说之争从十七世纪初笛卡儿提出的两点假光的波动说与微粒说之争从十七世纪初笛卡儿提出的两点假说开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了说开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间，科学发现的漫长进程可见一斑。
6、三百多年的时间，科学发现的漫长进程可见一斑。3 光散射 3-1 导言1 光与物质的相互作用（1 1） 相互作用相互作用 光透过：入射光的波长远大于粒子的尺光透过：入射光的波长远大于粒子的尺 寸寸 光吸收：入射光的频率与分子固有频率光吸收：入射光的频率与分子固有频率 相同相同 光反射：入射光的波长小于粒子的尺寸光反射：入射光的波长小于粒子的尺寸 光散射：入射光的波长大于粒子的尺寸光散射：入射光的波长大于粒子的尺寸 讨论：哪些相互作用能同时存在？讨论：哪些相互作用能同时存在？3 光散射 3-1 导言（2）光强度）光强度 入射光（入射光（incident light）强：）强：I0 透射光（透射光（
7、transmmitted light）强：）强：It 吸收光（吸收光（absorbed light ）强：）强：Ia 光反射（光反射（reflected light ）强：）强：Ir 光散射（光散射（scattering light）强：）强：Is I0 = It+ Ia + Ir + Is 3 光散射 3-1 导言讨论：各种分散体系的光强度？讨论：各种分散体系的光强度？ I0 = It+ Ia + Ir + Is 粗分散体系：粗分散体系： I0 = It+ Ia + Ir + Is 胶体分散体系：胶体分散体系： I0 = It+ Is 低分子分散体系：低分子分散体系：I0 = It+ Ia
8、光吸收：光吸收：=-ln=-ln It/ / I03 光散射 3-1 导言光吸收：光吸收：=-ln=-ln I It t/ / I I0 0对低分子分散体系：对低分子分散体系：=-ln=-lnI It t/ /I I0 0I Ia a / /I I0 0对胶体分散体系：对胶体分散体系： =-ln=-lnI It t/ /I I0 0I Is s/ /I I0 0横波横波横波和纵波横波和纵波纵波纵波 光的偏振光的偏振 偏振：偏振：振动方向对于传播方向的不对称性振动方向对于传播方向的不对称性 光的偏振：光的偏振：光波电矢量振动的空间分布对于光的传光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的
9、现象播方向失去对称性的现象 自然光（非偏振光）：自然光（非偏振光）：横振动对称于传播方向的光横振动对称于传播方向的光 偏振光：偏振光：凡其横振动失去对称性的光凡其横振动失去对称性的光 只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证动性的又一例证3-1 导言(3)(3)光散射光散射 散射与天空景象散射与天空景象 With scatteringWithout scattering3-1 导言光散射的原因光散射的原因 介质中存在大量不均匀小区域是产生光散射介质中存在大量不均匀小区域是产生光散射的原因，有光入射时，每个小区域成为散射中心，的原因，
10、有光入射时，每个小区域成为散射中心，向四面八方发出同频率的次波，这些次波间无固向四面八方发出同频率的次波，这些次波间无固定相位关系，它们在某方向上的非相干叠加形成定相位关系，它们在某方向上的非相干叠加形成了该方向上的散射光。了该方向上的散射光。 3-1 导言（4）经典光散射理论基础）经典光散射理论基础 “偶极振子模型偶极振子模型”： 入射光入射光-分子极化（偶极子）分子极化（偶极子）-振动振动-同频率的诱同频率的诱导波导波-散射光散射光（5）散射光的干涉）散射光的干涉 内干涉：同一个粒子不同部位产生出来的散内干涉：同一个粒子不同部位产生出来的散 射光由于有光程差而发生的干涉射光由于有光程差而发
11、生的干涉 外干涉：各个粒子所产生的散射光之间的干外干涉：各个粒子所产生的散射光之间的干 涉涉3-1 导言（6）影响散射光强度的三个重要因素）影响散射光强度的三个重要因素 粒子大小粒子大小 粒子浓度粒子浓度 粒子相对折光指数粒子相对折光指数 不同的光散射理论是根据这三个条件不同的光散射理论是根据这三个条件的差异而建立起来的的差异而建立起来的 折光指数折光指数 也称为折射率或折光率。定义为光也称为折射率或折光率。定义为光在真空中的传播速度与在某介质中传播在真空中的传播速度与在某介质中传播速度之比，也称之为绝对折光指数。对速度之比，也称之为绝对折光指数。对于任意两介质中光速之比定义为相对折于任意两介
12、质中光速之比定义为相对折光指数，光指数，n21=v1/v2，v1与与v2分别为分别为光在第一介质与第二介质的传播速度。光在第一介质与第二介质的传播速度。 3-1 导言2 经典光散射理论分类经典光散射理论分类（1）雷利光散射理论）雷利光散射理论 建立的基础建立的基础: 粒子的尺寸远小于入射光的波长粒子的尺寸远小于入射光的波长 低浓度低浓度 粒子折光指数较低粒子折光指数较低 没有考虑内干涉、外干涉没有考虑内干涉、外干涉（2）德拜理论）德拜理论 把雷利理论推广到稀溶液中把雷利理论推广到稀溶液中 ，考虑了内干涉。，考虑了内干涉。3-1 导言（3）RGD理论理论 考虑了内干涉、相对折光指数很低考虑了内干
13、涉、相对折光指数很低（4）迈尔理论）迈尔理论 粒子较大、相对折光指数较大粒子较大、相对折光指数较大（5）弗朗荷弗理论）弗朗荷弗理论 粒子和相对折光指数很大粒子和相对折光指数很大 光散射理论及适用条件：光散射理论及适用条件：P38 表表3-1 Rayleigh Scattering - highMie Scattering - lowSun Altitude - highRayleigh Scattering - lowMie Scattering - highSun Altitude - highRayleigh Scattering - mediumMie Scattering - medi
14、umSun Altitude - lowPlanet Mars like scattering3-1 导言（6）影响粒子散射光强度的因素）影响粒子散射光强度的因素 光的性质光的性质 散射角散射角 粒子大小粒子大小 粒子浓度粒子浓度 粒子相对折光指数粒子相对折光指数 规律：规律：P39 ：1、2、3、4一个雷利散射（ Rayleigh Scattering ）实验 白光通过浑浊物质时，沿白光通过浑浊物质时，沿z z 方向，散射光方向，散射光呈青蓝色；沿呈青蓝色；沿x x方向，散射光呈红色。方向，散射光呈红色。 3-2 经典光散射理论1 经典光散射理论的两个重要物理基础经典光散射理论的两个重要物理
15、基础 （1）散射光强度与时间无关。）散射光强度与时间无关。 （2）光量子与粒子发生弹性碰撞。）光量子与粒子发生弹性碰撞。 3-2 经典光散射理论2 雷利光散射雷利光散射 根据光的电磁波理论推导根据光的电磁波理论推导 单个粒子：单个粒子：极化率极化率n分子的平均偶极矩分子的平均偶极矩u与电场强度与电场强度E的比值。符号的比值。符号 ；u=E 它是统计平均值；它是统计平均值；n对于非极性分子，若极化率对于非极性分子，若极化率越大，则在外电场越大，则在外电场诱导出的偶极矩越大；诱导出的偶极矩越大；n极性分子具有永久偶极矩，它的极化率是原子极极性分子具有永久偶极矩，它的极化率是原子极化、电子极化与定向
16、极化的总和。化、电子极化与定向极化的总和。 偶极矩：偶极矩：正、负电荷中心间的距离正、负电荷中心间的距离r和电荷中心和电荷中心所带电量所带电量q的乘积，的乘积，=rq。 3-2 经典光散射理论多个粒子：多个粒子：讨论：雷利方程中各因子的关系讨论：雷利方程中各因子的关系紫光的散射强度大约是红光的紫光的散射强度大约是红光的10倍倍 3-2 经典光散射理论解释：天空的蔚蓝色和夕阳的橙红色解释：天空的蔚蓝色和夕阳的橙红色 由于瑞利散射光强与由于瑞利散射光强与1/1/44成正比，当观察成正比，当观察晴天的天空时，进入人眼的是阳光经过大气时的晴天的天空时，进入人眼的是阳光经过大气时的侧向散射光，主要包含着
17、短波成分，所以天空呈侧向散射光，主要包含着短波成分，所以天空呈蓝色；而落日时直视太阳所看到的是在大气层蓝色；而落日时直视太阳所看到的是在大气层（包括微尘层）中经过较长路程的散射后的阳光，（包括微尘层）中经过较长路程的散射后的阳光，剩余的长波成分较强，所以落日呈红色。正午时剩余的长波成分较强，所以落日呈红色。正午时太阳光，呈现白色。太阳光，呈现白色。 3-2 经典光散射理论3 溶液光散射溶液光散射德拜理论德拜理论 讨论二元理想溶液讨论二元理想溶液单个溶质分子（粒子）：单个溶质分子（粒子）： 3-2 经典光散射理论溶液浓度为溶液浓度为c:3-2 经典光散射理论定义所以3-3 光散射光谱在化学化工中的光散射光谱在化学化工中的 应用应用1 在高分子溶液中的应用在高分子溶液中的应用 测动力性质：水力半径、粒子形状、摩尔质量等测动力性质：水力半径、粒子形状、摩尔质量等2 在流体力学中的应用在流体力学中的应用 测流速等测流速等3 在反应动力学中的应用在反应动力学中的应用 研究快速反应研究快速反应4 在相变过程中的应用在相变过程中的应用 研究体系的相变化研究体系的相变化
