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第四章光的吸收散射和色散.ppt

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1,第四章 光的吸收、散射和色散,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。,3,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。,一 电偶极子模型,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。,二 对反射和折射现象的初步解释,“次波合成” (阅书P378),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,,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),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。这是吸收光谱分析的原理。,3.说明,二 光的吸收与波长的关系,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范围内),2.选择吸收:物质对某些波长的光的吸收特别 强烈。,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。,三 吸收光谱,1.光谱实验:观测物质对光的选择吸收。,14,2.吸收光谱,同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有对应关系。,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。,历史上靠这种方法发现了铯,铷,铊,铟,镓 等新元素。,3.应用,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。,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。,19,一 光的散射现象,总的:,:散射系数,:衰减系数,二 散射与媒质不均匀性的关系,①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。,②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。,,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。,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。,三 瑞利散射,1.瑞利散射(Rayleigh),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),,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。,四 大气散射自然现象的解释,2.天空呈蓝色,旭日和夕阳呈红色。,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?,3.白云,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。,32,偏振性,自然光入射到散射物质中,观察到:,正侧方(z)线偏振,斜方向(C)部分偏振,对着x方向(x)自然光,33,散射光的偏振性,34,用电偶极子次级辐射可
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