光的吸收、散射和色散(I)

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1、教學(xué)目標(biāo)：掌握朗伯定律、瑞利定律；理解光的吸收、散射和色散的特點(diǎn)及相互聯(lián)系；了解有關(guān)現(xiàn)象的經(jīng)典理論解釋。內(nèi)容分析：第一單元（§1）：經(jīng)典電磁理論中用以解釋光與物質(zhì)相互作用的電偶極子模型。第二單元（§2）：光的吸收及規(guī)律。第三單元（§3）：光的散射及規(guī)律。第四單元（§4）：光的色散及規(guī)律。第六章光的吸收、散射和色散定義：光通過介質(zhì)后出現(xiàn)的出射光強(qiáng)小于入射光強(qiáng)的現(xiàn)象。解釋：用經(jīng)典電磁理論中的振子模型解釋：光能振動(dòng)能熱能。2·1吸收定律朗伯定律：設(shè)光通過厚度為dx的介質(zhì)層時(shí)，光強(qiáng)由I減少為（I－dI），則有：成立，積分可得通過厚度為L(zhǎng)的介質(zhì)后的光強(qiáng)I，這就是朗伯定律，式中?a稱吸收系數(shù)。I0

2、II-dIdxxx+dxlX§2光的吸收比爾定律：實(shí)驗(yàn)表明：在濃度較低的溶液中，吸收系數(shù)?a與溶液濃度C成正比，?a=A·C。A為與溶液濃度C無關(guān)的常數(shù)，表征物質(zhì)的分子特性。代入?a與C的關(guān)系，朗伯定律變形為:這稱為比爾定律。利用比爾定律通過測(cè)量I可得溶液的濃度C。2·2吸收類型一般吸收：?a值很小且不隨波長(zhǎng)發(fā)生明顯變化，即呈現(xiàn)所謂“透明”狀態(tài)。選擇吸收：?a值很大且隨波長(zhǎng)發(fā)生急劇變化，即呈現(xiàn)“不透明”的狀態(tài)。吸收普遍存在于一切介質(zhì)中，任何介質(zhì)中都可發(fā)生兩種類型的吸收，關(guān)鍵取決于波長(zhǎng)。2·3吸收光譜產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源在通過介質(zhì)后會(huì)產(chǎn)生吸收，所形成的光譜為吸收光譜，如圖6－5所示。吸收系

3、數(shù)大的位置出現(xiàn)譜線消失。用途：物質(zhì)的定量分析；氣象、天文研究。定義：光通過某些介質(zhì)時(shí)，在偏離正常傳播方向上有光出射的現(xiàn)象。3·1散射類型1、瑞利散射發(fā)生于混濁介質(zhì)中。原因是在均勻介質(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)生于表面看來均勻純凈的介質(zhì)中。原因是介質(zhì)中分子密度起伏破壞了介質(zhì)的均勻性而導(dǎo)致?！?光的散射3·2散射定律正常傳播方向上的光強(qiáng):因?yàn)樯⑸浞稚⒘苏鞑シ较蛏系墓饽芰?，表現(xiàn)為正常傳播方向上光強(qiáng)的減弱，故可用朗伯定律描述：?s稱散射系數(shù)，出射光仍為自然光。散射光的光強(qiáng):設(shè)觀察方向與正常傳播方向之間的夾角為?，散射光強(qiáng)為：注意，觀察面為X-O-

4、Z平面，參見圖6--8。3·3瑞利散射定律實(shí)驗(yàn)表明：散射光中各種波長(zhǎng)的能量不是均勻分布的，短波占有明顯優(yōu)勢(shì)，即有的關(guān)系成立，這個(gè)關(guān)系稱為瑞利定律。3、散射光的偏振特性：在垂直于光束的方向上（z）觀察，散射光為平面偏振光。其他方向上（y,c）觀察到的是部分偏振光。3·4分子散射是由物質(zhì)分子密度的漲落而引起的，它弱于瑞利散射。定義：光通過介質(zhì)時(shí)，傳播速度隨頻率而變化，因而不同波長(zhǎng)的光具有不同的折射率值的現(xiàn)象。4·1色散現(xiàn)象與經(jīng)典電磁理論的矛盾由麥克斯韋方程組可得：由此可得n與頻率?、波長(zhǎng)?無關(guān)?！?光的色散色散現(xiàn)象的客觀存在說明了電磁理論存在缺陷。只有在深入研究物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，才能解

5、釋折射率隨頻率變化的原因。物質(zhì)的色散特性可用角色散率D描述：對(duì)棱鏡表征關(guān)系的存在，即表征物質(zhì)的色散特性。4·2色散曲線和光譜實(shí)驗(yàn)中用正交棱鏡觀察法測(cè)量色散曲線，參見圖6－12。對(duì)棱鏡有最小偏向角,?0可表示譜線的移動(dòng)距離，即譜線可表示出n～?之間的關(guān)系。色散曲線：實(shí)驗(yàn)中通過測(cè)定不同波長(zhǎng)的光對(duì)應(yīng)的?0，得出n～?關(guān)系，即為色散曲線。插圖6---14：色散曲線的特點(diǎn)：1、隨著波長(zhǎng)值的變大，折射率值減小。2、短波段色散曲線斜率較大，角色散率較大。3、波長(zhǎng)一定，介質(zhì)的折射率越大，色散曲線斜率越大。特點(diǎn)：1、光譜線是非均勻排布的。2、短波段的角色散率比長(zhǎng)波段的大（可比較a、c）。3、折射率大則角

6、色散率大，光譜展開得寬（比較a、b）。色散光譜：利用攝譜儀拍攝了幾種物質(zhì)的色散光譜如下：4·3色散類型及方程正常色散：特點(diǎn)：波長(zhǎng)?變大時(shí)，折射率值n變小，角色散率D變小。一切無色透明介質(zhì)在可見光區(qū)域均表現(xiàn)為正常色散。描述正常色散時(shí)n與?關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為科希方程：a、b、c為由介質(zhì)特性決定的常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)得出。當(dāng)波長(zhǎng)變化范圍不大時(shí)，科希方程可取近似形式：由上兩式可得：,與正常色散曲線、光譜的特點(diǎn)相吻合。反常色散：在某些波段會(huì)出現(xiàn)，波長(zhǎng)變大時(shí)折射率值增大的現(xiàn)象，這稱為反常色散。反常色散同樣是物質(zhì)的普遍性質(zhì)。反常色散與選擇吸收密切相關(guān)，即在發(fā)生物質(zhì)的選擇吸收波段附近出現(xiàn)反常色散。請(qǐng)參見圖6--

7、18。描述反常色散下n與?關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為塞耳邁耳方程：由此式得：當(dāng)???0時(shí)，n??，這是塞耳邁耳方程的一個(gè)較大的缺陷。