光的吸收、散射和色散

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1、第六章光的吸收、散射和色散課程的引入:前面各章主要講授光的傳播,從幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)探討了物的成像和光的干涉、衍射;除了研究在各向同性均勻媒質(zhì)中光的傳播,還研究了光在各向異性媒質(zhì)中的傳播,主要是光在單軸晶體內(nèi)的傳播,如雙折射現(xiàn)象,光學(xué)偏振器,波晶片等;其有一個(gè)共同的特點(diǎn),即光在媒質(zhì)內(nèi)傳播的過(guò)程中,不存在能量的損失。除了真空,沒(méi)有一種媒質(zhì)在嚴(yán)格意義上對(duì)光波是絕對(duì)透明的,光通過(guò)媒質(zhì)時(shí),部分光被媒質(zhì)吸收,另一部分光被散射,余下來(lái)的部分按原來(lái)的傳播方向繼續(xù)前進(jìn);另一方面,不同波長(zhǎng)的光在媒質(zhì)中有不同的傳播速度,即媒質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的折射率;一束白光或多色光只要入射角不為零,不同波長(zhǎng)的光就會(huì)按不同折

2、射角而散開(kāi),這就是色散(如以前所講過(guò)的三棱鏡的色散)。光的吸收、色散和散射是光在媒質(zhì)中傳播所發(fā)生的普遍現(xiàn)象,它們之間是相互聯(lián)系的,研究這類現(xiàn)象,一方面可以了解光與物質(zhì)的相互作用,有助于對(duì)光的本性的進(jìn)一步了解,也可以得到許多有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要知識(shí),促進(jìn)應(yīng)用光學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。6.2光的吸收一般吸收——吸收比較弱,基本不隨波長(zhǎng)而變化。選擇吸收——吸收比較強(qiáng),隨波長(zhǎng)發(fā)生急劇變化。一、一般吸收和選擇吸收自然界的物質(zhì)都具有選擇吸收,理想的一般吸收不存在,只能在一小段范圍內(nèi)。?I一般吸收區(qū)域選擇吸收區(qū)域?(nm)I(a.u.)*普遍吸收和選擇吸收?(nm)I(a.u.)樣品若物質(zhì)對(duì)各種波長(zhǎng)λ的吸收程度幾乎相

3、等,即吸收系數(shù)與λ無(wú)關(guān)。在可見(jiàn)光范圍內(nèi),意味著光束通過(guò)媒質(zhì)后只改變強(qiáng)度,不改變顏色。如:空氣、純水、無(wú)色玻璃等媒質(zhì)。普遍吸收三、光的吸收與波長(zhǎng)的關(guān)系1、普遍吸收:若物質(zhì)對(duì)各種波長(zhǎng)λ的吸收程度幾乎相等,即吸收系數(shù)α與λ無(wú)關(guān)。在可見(jiàn)光范圍內(nèi),意味著光束通過(guò)媒質(zhì)后只改變強(qiáng)度,不改變顏色。如:空氣、純水、無(wú)色玻璃等媒質(zhì)。2、選擇吸收:若物質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)的光吸收特別強(qiáng)烈。由于可見(jiàn)光進(jìn)行選擇吸收,會(huì)使白光變?yōu)椴噬?。絕大部分物體呈現(xiàn)顏色,都是其表面或體內(nèi)對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行選擇吸收的結(jié)果。*選擇吸收?(nm)I(a.u.)樣品選擇吸收:若物質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)的光吸收特別強(qiáng)烈。由于可見(jiàn)光進(jìn)行選擇吸收,會(huì)使白光變?yōu)椴噬?。絕

4、大部分物體呈現(xiàn)顏色,都是其表面或體內(nèi)對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行選擇吸收的結(jié)果。?(nm)I(a.u.)吸收的線性規(guī)律光的強(qiáng)度隨穿進(jìn)媒質(zhì)的深度而減小,這種現(xiàn)象稱為媒質(zhì)對(duì)光的吸收。二、朗伯定律吸收的線性規(guī)律—朗伯定律單色平行光束沿X方向通過(guò)均勻媒質(zhì),光的強(qiáng)度在經(jīng)過(guò)厚度為dx的一層媒質(zhì)時(shí):I→I-dII0II-dIdxxx+dxlx實(shí)驗(yàn)表明:在光強(qiáng)范圍內(nèi)-dI∝Idx令:-dI=αIdxα與I無(wú)關(guān),與波長(zhǎng)有關(guān)。稱為吸收系數(shù)寫(xiě)成指數(shù)關(guān)系式為:I=I0e-αl此稱為朗伯定律。?—吸收系數(shù)化學(xué)上:C—溶液濃度A—與溶質(zhì)性質(zhì)有關(guān)1.與媒質(zhì)有關(guān)2.與波長(zhǎng)有關(guān)——一般吸收區(qū)域?小,基本不變選擇吸收區(qū)域?大,隨波長(zhǎng)急劇變化三、

5、吸收光譜朗伯定律是吸收光譜的基本原理。入射的有連續(xù)波長(zhǎng)分布的光,透過(guò)物質(zhì)后,在選擇吸收區(qū)域,有些波長(zhǎng)范圍的光被強(qiáng)烈吸收,形成吸收光譜反映原子、分子結(jié)構(gòu)特征——原子光譜、紅外光譜地球大氣層對(duì)可見(jiàn)光和波長(zhǎng)3000A以上的紫外線是透明的,波長(zhǎng)短于3000A的紫外線將被空氣中的臭氧層強(qiáng)烈吸收。對(duì)于紅外輻射,大氣層在某些狹窄的波段內(nèi)是透明的,透明的波段稱為“大氣窗口”。例:3~5um和8~14um是大氣的兩個(gè)窗口。利用這兩個(gè)窗口,可以實(shí)現(xiàn)紅外遙感和遙測(cè),天氣預(yù)報(bào)測(cè)量,軍事領(lǐng)域可以進(jìn)行紅外制導(dǎo)和紅外跟蹤。oo觀察吸收光譜的試驗(yàn)裝置剛玉紅寶石白寶石三基色相加混合紅+青=白紅+綠=黃藍(lán)+黃=白綠+藍(lán)=青綠+品

6、紅=白紅+藍(lán)=品紅紅+綠+藍(lán)=白彩色顯示器顯示單元XYZ色度圖當(dāng)光束通過(guò)均勻的透明介質(zhì)時(shí),從側(cè)面是難以看到光的。但當(dāng)光束通過(guò)不均勻的透明介質(zhì)時(shí),則從各個(gè)方向都可以看到光,這是介質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結(jié)果,這種現(xiàn)象稱為光的散射。例如,當(dāng)一束太陽(yáng)光從窗外射進(jìn)室內(nèi)時(shí),我們從側(cè)面可以看到光線的徑跡,就是因?yàn)樘?yáng)光被空氣中的灰塵散射的緣故。6.3光的散射光的散射——光束通過(guò)光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時(shí),向側(cè)向傳播的現(xiàn)象。原傳播方向上的光強(qiáng):?a——吸收系數(shù),?s——散射系數(shù)一、非均勻介質(zhì)中的散射二、散射和反射、漫射和衍射現(xiàn)象的區(qū)別反射——理想界面,物體線度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)。漫射——非理想界面,可看成許

7、多無(wú)規(guī)小鏡面,向各方向反射。衍射——個(gè)別不均勻區(qū)域造成的,線度可與光的波長(zhǎng)相比擬。散射——大量,無(wú)規(guī)則排列,不均勻小區(qū)域集合造成的,線度可比光的波長(zhǎng)小,且小區(qū)域間發(fā)生不相干疊加。散射類型1、瑞利散射發(fā)生于混濁介質(zhì)中。原因是在混濁介質(zhì)中包含許多線度比波長(zhǎng)更小的、折射率不同的其他物質(zhì)的微粒2、分子散射發(fā)生于表面看來(lái)均勻純凈的介質(zhì)中。即使十分純凈的液體或氣體,也能產(chǎn)生比較微弱的散射,這是由于分子熱運(yùn)動(dòng)造

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