14章光的吸收

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第14章光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射是光在介質(zhì)中傳播時(shí)所發(fā)生的普遍現(xiàn)象。14.1光的吸收光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度隨介質(zhì)的厚度增加而減少的現(xiàn)象，稱為介質(zhì)對(duì)光的吸收。從能量的角度考慮，光的吸收就是光在通過(guò)介質(zhì)時(shí)，光能轉(zhuǎn)換成了其它形式的能量。應(yīng)用于紅外遙感、紅外導(dǎo)航和紅外跟蹤等技術(shù)。 14.1.1一般吸收和選擇吸收吸收可分為一般吸收選擇吸收在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，若某種介質(zhì)對(duì)于通過(guò)它的各種波長(zhǎng)的光波能量都作等量吸收，并且吸收的能量很少，則稱這種吸收為一般吸收。若介質(zhì)吸收某種波長(zhǎng)的光能特別顯著，則稱其為選擇吸收。如果不把光局限于可見(jiàn)光范圍內(nèi)，可以說(shuō)一切物質(zhì)都具有一般吸收和選擇吸收兩種特性。 介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光表現(xiàn)出不同程度的吸收例如：石英對(duì)波長(zhǎng)范圍在3.5~5.0μm的紅外光幾乎是不透明的，即石英對(duì)該波段的光對(duì)應(yīng)選擇吸收。對(duì)可見(jiàn)光幾乎是完全透明的，說(shuō)明石英對(duì)可見(jiàn)光吸收很少，是一般吸收。選擇吸收是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因。一些透明物體的顏色，是由于某些波長(zhǎng)的光透入其內(nèi)一定距離后被吸收掉而引起的。 例如：海水對(duì)紅光是選擇吸收，這樣紅光被很快吸收掉。海水對(duì)藍(lán)綠光是一般吸收，所以藍(lán)綠光可以透過(guò)相當(dāng)?shù)纳疃龋院Ｋ尸F(xiàn)藍(lán)綠色。不透明物體反射什么顏色的光到我們眼里，我們就感覺(jué)不透明物體是什么顏色。如果一個(gè)物體對(duì)白光中所有波長(zhǎng)的光都強(qiáng)烈吸收，它呈現(xiàn)黑色；若白光照射，一個(gè)物體對(duì)白光中所有波長(zhǎng)的光都不吸收，它就反射各種波長(zhǎng)的光而呈現(xiàn)白色。 研究小組的負(fù)責(zé)人普利克爾·阿加延北京時(shí)間09年1月16日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，美國(guó)研究人員當(dāng)?shù)貢r(shí)間15日表示，他們制造出了地球上最黑的材料，這種材料對(duì)光的吸收達(dá)到99.9%這種材料是由極細(xì)的碳納米管制成，一端直立，幾乎比美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院用作當(dāng)前黑色基準(zhǔn)的碳物質(zhì)黑了近30倍。該材料接近于科學(xué)家夢(mèng)寐以求的理想黑色，這種理想黑色能吸收各種顏色的光，而且還不反射光。 例如：在白光下見(jiàn)到的白紙紅字，在紅光照射下，看到的都是紅色；在藍(lán)光照射下，看到的是藍(lán)紙黑字。14.1.2光的吸收定律朗伯定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為x——是平行光在均勻介質(zhì)中通過(guò)的距離——是x=0處的光強(qiáng)I——是光在介質(zhì)中通過(guò)x距離后的光強(qiáng)——是吸收系數(shù)，是波長(zhǎng)的函數(shù)負(fù)號(hào)反映出x增加時(shí)，I減弱 對(duì)于可見(jiàn)光波段：大氣壓強(qiáng)下的空氣，約10-5cm-1一般玻璃，約10-2cm-1金屬，約104~105cm-1朗伯定律對(duì)于激光不適用稀溶液服從比爾定律比爾定律數(shù)學(xué)形式：C——溶液的濃度A——是常數(shù)，與濃度無(wú)關(guān)，它表征吸收物質(zhì)的分子特性 通過(guò)測(cè)量光在溶液中強(qiáng)度的變化，來(lái)計(jì)算溶液的濃度，這就是吸收光譜分析的原理。 14.1.3吸收光譜產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源所發(fā)出的光，通過(guò)有選擇吸收的介質(zhì)后，用分光光度計(jì)可以觀測(cè)出，某些波段或某些波長(zhǎng)的光被吸收，這就形成了吸收光譜。分光光度計(jì)以入射光的波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，物質(zhì)對(duì)光的吸收程度為縱坐標(biāo)作圖，即可得到該吸收物質(zhì)的吸收光譜曲線。 不同分子有顯著不同的紅外吸收光譜,廣泛用于有機(jī)物研究及生產(chǎn)上。吸收光譜的研究對(duì)紅外遙感、紅外導(dǎo)航和紅外跟蹤等技術(shù)的發(fā)展也起到很大作用，還可為氣象預(yù)報(bào)提供必要的依據(jù)。 14.2光的色散各色光在介質(zhì)的分界面處將折向不同的方向，這就是色散現(xiàn)象。白光入射棱鏡時(shí)，可折射出彩色光帶。 為表征介質(zhì)的折射率隨波長(zhǎng)變化的程度，定義色散率色散分類正常色散，反常色散，正常色散有三個(gè)特點(diǎn)：波長(zhǎng)越長(zhǎng)，折射率越??；波長(zhǎng)越長(zhǎng)，色散率越小；波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)折射率趨于常數(shù)。一切無(wú)色透明介質(zhì)在可見(jiàn)光區(qū)域均表現(xiàn)為正常色散。 幾種材料的正常色散曲線: 正常色散時(shí)n與?關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為科西方程：其中λ為真空中的波長(zhǎng)，A、B、C是由介質(zhì)決定的常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。在波長(zhǎng)λ變化不大時(shí)，柯西公式可以簡(jiǎn)化為由上式可求得介質(zhì)的色散率為 色散率的現(xiàn)象稱為反常色散。每一種介質(zhì)都具有正常色散和反常色散的性質(zhì)，只是表現(xiàn)在不同的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。石英的色散曲線可見(jiàn)既有正常色散，又有反常色散。 14.3光的散射光線通過(guò)光學(xué)性質(zhì)不相同的介質(zhì)時(shí)，我們可以從側(cè)面清晰地看到光線的軌跡，這種現(xiàn)象稱為光的散射?！肷涔鈴?qiáng)I——光通過(guò)距離x后的光強(qiáng)光的吸收和散射使光強(qiáng)減弱：x——光在介質(zhì)中通過(guò)距離的距離k——衰減系數(shù) 散射分類廷德?tīng)柹⑸洌荷⑸淞Ｗ拥拇笮『腿肷涔獠úㄩL(zhǎng)具有相同數(shù)量級(jí)（按散射粒子的大小）散射粒子的線度比入射光波波長(zhǎng)小得多的散射瑞利散射:（分子散射）散射光中各種波長(zhǎng)的能量不是均勻分布的，短波長(zhǎng)的能量占有明顯優(yōu)勢(shì)，散射光的強(qiáng)度I與波長(zhǎng)λ的四次方成反比，即瑞利定律： 按照瑞利定律，白光中的短波部分比長(zhǎng)波部分的散射強(qiáng)烈得多。散射光中因短波成分多，因而天空呈現(xiàn)蔚藍(lán)色。白晝天空是亮的，是大氣對(duì)太陽(yáng)光散射的結(jié)果。如果沒(méi)有大氣，即使是白晝，人們仰觀天空，將看到耀眼的太陽(yáng)懸掛在漆黑的背景中。這是宇航員在太空中觀察到的事實(shí)。 當(dāng)雨后大氣中的塵埃少時(shí)，瑞利散射更明顯，所以雨后天晴時(shí)，天空格外藍(lán)。但污染較嚴(yán)重的城市的天空就不那么藍(lán)，原因就是懸浮的煙霧和塵埃產(chǎn)生的廷德?tīng)柹⑸湎鄬?duì)加強(qiáng)了。問(wèn)題：吸煙者口中吐出的煙呈白色，而點(diǎn)燃的香煙冒出的煙是淡藍(lán)色的？