1、第六章：光的吸收、散射与色散,制作人：郭靖东 张扬威 孙仁平 郑晨佳,光的吸收,光的色散,光的散射,光的吸收、色散和散射,光的吸收、色散和散射,作用机理,宏观现象,电偶辐射的解释,光与原子中 的电子相互作用引起,光束通过物质时，光束越深入物质，它的光强会减弱（光的吸收和散射造成的）。光在物质中的速度随频率而改变（这种现象叫做光的色散）。,电偶极辐射产生的光强,物质中的电荷在入射光电矢量的作用下做受迫振动 由电动力学知识得到波强公式 进而得到波强(能流密度)分布图,电偶极辐射对反射和折射现象的初步解释,光做直线传播、反射和折射时 分子做受迫振动，次级电磁波与入射波叠加，入射光方向合成波加强，其他
2、方向合成波相消，合成波相位发生改变,当线偏振光以布儒斯特定角入射时，反射光垂直于折射光，而折射光电矢量方向与电矩矢量平行，反射光和z轴平行，而z轴方向不会有次波，也就是不会有反射光；,光的吸收,知识结构图,光的吸收,朗伯定律,比尔定律,选择吸收,一般吸收,朗伯定律,推导：朗伯用单色平行光通过均匀物质 发现光强改变量与其穿透距离改变量存在上数关系 吸收系数，与I无关。 在非线性光学领域里，吸收系数依赖于光的强度，朗伯定律不在成立。,比尔定律,将朗伯定律应用于溶液中就得到比尔定律 将 代入朗伯定律，得 式中A为与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收物质分子的特征。 当浓度很大时，分子间的相互影响不
3、能忽略，此时比尔定律不成立。,光的散射,光的散射,3W,是什么,为什么,哪些,概念,产生原因,具体相关理论,偏振性,下一节 ：光的色散,什么是光的散射？,光束通过不均匀的透明介质时，从各个方向都可以看到光这种现象称为光的散射，这也是光的散射区别于漫反射之处，从侧面看，漫反射有些地方看不见光；,从微观角度来看：原子中的电子在光波的作用下会振动，振动的电子向周围发射电磁波，如果介质不均匀性的线度大于或与光波长相当时，这些电磁波位相随机变化，散射光不会干涉相消，反之在均匀介质中，发生干涉相消导致，只剩下原来的光束，从侧面难以看到光。,散射分类 依据在于散射光波波长与原入射光的波长是否相同,瑞利散射,
4、米氏散射,拉曼散射,定律：,瑞利认为在微粒尺度比光的波长小的条件下，微粒极化是只感生出电偶极矩，而各个偶极振子辐射功率正比于频率的四次方，且各个子波不相干，那么散射光强正比于频率四次方,如果微粒线度接近波长，甚至比波长大，那么瑞利散射不再适用，散射光强与波长的依赖关系不再明显，即各种波长的光散射程度相当，这就是米氏散射。,特点是散射后光波波长改变 拉曼散射使每条原始入射光谱两旁都有频差为wj的若干谱线，从而实现波段转移，例如将本来在红外波段的分子光谱转移到可见光和紫外波段研究,自然光入射：,3、从其他方向观察时，是部分偏振光,结论：,1、从正侧面方向观察，是偏振光,2、纵向观察时，是自然光,将
5、自然光分解为两垂直方向的偏振光，根据偏振光的分析：,1、 点，垂直分量最大，水平分量为零,2、 点，垂直分量为零，水平分量最大,3、 点，垂直、水平分量都最大,偏振光入射,退偏振度：,介质中分子各向同性,正侧向观察为偏振光,介质中分子各向异性,侧向观察为部分偏振光,当光射入某些液体或气体时，偏振度：,光的色散,一种物质的全部色散曲线,反常色散曲线：吸收区域内的色散曲线,正常色散曲线：可见光区域附近色散曲线,伍德实验,正交棱镜观察法,可见光区域附近色散曲线及其特点,柯西公式,色散曲线,下一张：习题,正交棱镜观察法,图中两个三棱镜的折射棱互相垂直，P1使光屏上得到水平方向的连续光谱，P2使通过以后
6、的每一条谱线竖直向上移动，若两棱镜的材料相同，则光谱 AH仍是直的 若不同则变成弯曲的,正交棱镜观察法,可见光区域附近色散曲线及其特点,色散曲线具有以下几个特点： （1）波长越短，折射率越大，角色散率越大 （2）波长一定时，不同物质折射率越大，角色散率也越大 （3）不同物质的色散曲线没有简单的相似关系,可见光区域附近色散曲线及特点,正常色散的经验公式 当变化范围不太大时公式可只取前两项由此可见短波材料的色散效应更为显著,柯西公式,在吸收区域内的色散曲线 伍德实验,在吸收区域内的色散曲线,一种物质的全部色散,图中考察从0到几百米的范围内的全部色散曲线 共性：相邻的两个吸收带之间n单调下降，每经过
7、一次吸收带，n急剧加大，柯西公式中A的 加大 由图中可以看出对于极短波（X射线），任何物质的折射率均小于1，那么X射线空气射向该物质（从光密介质射向光疏介质），发生全反射,一种物质的全部色散,光的吸收、散射和色散,公式归纳及习题分析,散射光在不同方向上的强度公式,光的散射公式,线偏振光照射到各向异性的介质上散射光为部分偏振光的公式,瑞利散射散射光强与波长四次方反比公式,朗伯定律加散射衰减系数的公式,偏振度公式,退偏振度公式,既是吸收公式又是散射公式,色散率公式,角色散率公式,柯西公式,色散公式,朗伯定律的数学公式,在指数中加入散射衰减系数，就得到沿原方向上的透射光强公式,返回,对应习题6-1、
8、6-2、6-3 涉及这个公式的习题分为两类，一是已知指数求光强，二是已知光强求指数，没什么技巧，做简单的数学代换即可。,（2）瑞利散射散射光强与波长四次方反比公式,（3）散射光在不同方向上的强度公式,沿入射光方向（a=0）的散射光强度,观察方向与入射光束传播方向之间的夹角,对应习题6-4,对应习题6-5,返回,（4）线偏振光照射到各向异性的介质上散射光为部分偏振光的公式,对应习题6-6,求散射光偏振度的题一般也涉及尼克尔棱镜的性质与尼克尔棱镜主截面平行的光分量才能透射出。这样把尼克尔棱镜不同位置的设为x轴和y轴，把光强带入公式就可以求解了。,返回,（5）柯西公式,习题中用得最多的公式,对应习题
9、6-7、6-8、6-9、6-12,一般习题形式给出两种波长及对应的折射率，求a和b。,角色散率公式,柯西公式,色散率公式,求导,前提条前,前提条前,下一节：吸收应用,光的吸收应用,光吸收的应用,小到原子、分子,选择吸收的应用,吸收光谱的应用,分类,吸收光谱被广泛应用于生活、生产、科学研究以及医药等等方面,食品、药品工业,科研方面,气象预测,光谱分析,由来,下一节,选择吸收特例-车窗膜,法拉特冠军K375（适用前风挡） 市场参考价：3500元/普通轿车 测试仪器：法拉特专卖店的“防爆膜质量检测仪” 测试结果：可见光透视率：74红外线穿透率：14 小结：法拉特冠军K375防爆膜的可见光透视率达到了
10、前风挡玻璃的安全要求，其红外线穿透率也在比较低的水平，有较好的隔热效果。,吸收光谱,定义 p274吸收光谱的产生吸收光谱室温度很高的光源发出的白光，通过温度较低的蒸汽或气体后观测产生的,吸收光谱的由来,基态原子蒸汽可以吸收该元素特征辐射的现象，早已被人们所认识。 1860年，本生（R.Bunson）等在研究碱金属和碱土金属的火焰光谱时，发现钠蒸汽发出的光辐射通过温度较低的钠蒸气时，光辐射的强度被减弱。 直到1955年，澳大利亚物理学家沃什（A.Wacsh）奠定了原子吸收光谱法的理论基础，发明了原子吸收法最常用的光源空心阴极灯，才使原子吸收光谱法作为一种分析方法而问世。,吸收光谱的分类,原子吸收
11、光谱,分子吸收光谱,紫外吸收光谱,波长范围,189900nm,0.06um1.25cm,/,起着检测化学成分的作用,原子吸收光谱法,吸收光谱法原子又称吸收分光光度法原子,是基 于蒸汽相中待测元素的基态原子对其共振辐射 的吸收强度来测定试样中该元素含量的一种仪 器分析方法。,食品安全,医药安全,实例,原子吸收分光光度法测定复方锌铁钙口服溶液中锌铁钙的含量 原子吸收分光光度法测定葡萄糖酸锌口服液的含量 原子吸收分光光度法对果蔬型酸奶中Vc含量的测定,当不同频率的光辐射（强度为I0v）通过原子蒸气时，有一 部分光被吸收，其透过光的强度（即原子吸收共振线后光 的强度）与原子蒸气厚度的关系服从比尔定律,
12、光谱分析根据物质光谱来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量的方法叫光谱分析。这里我们主要运用吸收光谱,优点：绝对灵敏度可达 ，准确度高；选择性好；方法简便；分的速度快；用途广泛，已能直接测定70种元素,实例： 1、通过吸收光谱分析太阳大气层中的一部分元素,太阳光,穿过太阳大气层,存在着从太阳里蒸发出来的许多元素的气体,与元素标识谱线相同的光被吸收,通过光谱分析确实能够太阳大气层中的元素,氢 氦 氮 碳 氧 铁 镁等十几种元素,检查半导体材料硅和锗是否达到了高纯度的要求,发现新元素，铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而被发现的,天气与环境监测通过吸收光谱研究大气中的水蒸气、二氧化碳和
13、臭氧的含量变化，从而作为气象预报和环境污染监测的重要指标。,散射相关应用,散射相关应用,三理论,瑞利散射定律,米氏散射定律,拉曼散射光谱,用于科学研究、生物医学等方面,解释生活现象,应用于环境污染监测等方面,解释生活现象,实际用途,用途,其他方面,生活现象：,1、为什么海面呈现蓝色？,瑞利散射定律,长波光穿透力强，短波光穿透力弱,海水中颗粒线度小于波长,2、旭日和夕阳为什么是红色？,旭日东升,夕阳西下,瑞利散射定律,短波散射比长波散射强,烟中含有大量颗粒，且线度小于波长,主要原理是瑞利散射定律，长波穿透力强,1、信号灯的使用（如红绿灯）,瑞利散射实际用途：,3、为什么点燃的香烟冒出的烟是淡蓝色
14、？,瑞利散射定律,短波成分散射强，观察淡蓝色,1、为什么烟圈从口中吐出为白色？,生活现象：,烟圈,经口中而含有水蒸气，使得单个颗粒聚集成团,线度大于波长，运用米氏散射定律,与波长关系不大,忧郁的某人,2、云为什么是白色？,（万里有云）,水滴线度大于波长,瑞利散射不适用,米氏散射定律,产生的散射与波长关系不大,实际用途：监测环境污染,被污染空气中的微粒,线度大于波长,米氏散射定律,呈现暗红色,失去,蓝色,绿色,黄色,根据颜色变化而监测受污染的程度,拉曼光谱的重要用途,1、拉曼散射光谱在生物医学上的用途,基本原理：基于拉曼光谱的非破坏性与分辨的精确性,主要优势,水是生物主要成分，但它的拉曼光谱信号
15、非常微弱,许多生物样品中含有产生共振拉曼光谱信号的色素,适应用于激发和信号收集的各种光导纤维,蛋白质,核酸,其他成分,对应于不同的拉曼光谱,确定样品的成分，识别不同的细胞组织,运用识别技术，区分正常组织与病态组织,进行医学诊断,2、用于考古,用拉曼光谱分析不同产地软玉,拉曼光谱考察玉器的三大特点,1、聚光斑点小,2、可以对微区结构特点进行研究,3、是一种无损分析法,不同地区的拉曼光谱数据,3、拉曼光谱用于宝石鉴定,通过宝石散射的光会携带物质本身的一些信息，虽然十分微弱，但含有物质结构方面的深层次信息,任何物质都具有其自身的独特性，具有特定的振动谱，这实际上是相应分子、晶体的“指纹”。可以通过拉
16、曼光谱来识别这种物质。,与传统的宝石鉴定法相比， 拉曼光谱给出的鉴定信息属于物质深层次信息 ， 且是物质成份 、 结构的综合信息，更具备可靠性和准确性。,人工合成与天然宝石的拉曼散射比较,光线通过纸张,一部分反射,一部分透过,提高纸张的不透明度,增加光散射,保留小纤维组分,适度打浆，保留空气,高效压榨,（纸的紧密度）,散射与纸张的不透明度,散射与舞台的灯光效果,通过以下图片我们可以明显的看到散射所起的作用,同时光的散射在摄影方面也有同样类似的用途,光的色散及其在生活中的应用,利用三棱镜墙壁上形成红橙黄绿蓝靛紫彩色光带。在这个光谱中实际上在红光的外侧还有红外线，在紫光的 外侧还有紫外线。我们把大
17、面值人民币放在彩色光带的紫 外区域。把凸透镜放在色散光经过的路径上，使其离待检币 的距离略小于凸透镜的焦距，且在紫光外侧这样由三棱镜 分解出的紫外线，经凸透镜会聚，可形成较强的紫外线光束。 沿着墙壁缓慢移动待检币，使紫外线束对待检币进行扫描时如果是真币仔细观察在紫外线的照射下，将 出现清晰的防伪图案。,利用光的色散现象验钞,这是由于光的色散现象，我们看到的色光，实际上是白光色散后所出现的单色光 由于白光色散后，它的传播方向已经发生了改 变，色散后的各种单色光传播方向也不相同，因 此，当视线方向改变时，所看到的色光的颜色也 不相同 ,早晨看到草上的露珠在日光中呈现鲜艳的颜色，而且颜色随视线的方向
18、而改变，为什么？,当钻石被琢磨成几十 个小面后，射入钻石的白光，在折射过程中被分散成 单色光，显出七色霓虹般光彩，呈现光辉灿烂和晶莹 似火的光学效应，这种强烈的色散现象，是钻石最珍 贵的特征,砖石,光的吸收、散射和色散,公式归纳及习题分析,吸收系数加上散射衰减系数后的光强减弱公式,朗伯定律,（光的吸收公式）,散射光在不同方向上的强度公式,光的散射公式,线偏振光照射到各向异性的介质上散射光为部分偏振光的公式,瑞利散射散射光强与波长四次方反比公式,朗伯定律加散射衰减系数的公式,偏振度公式,退偏振度公式,光的色散公式,角色散率公式,柯西公式,（1）朗伯定律加散射衰减系数的公式,对应习题6-1、6-2
19、、6-3,（2）瑞利散射散射光强与波长四次方反比公式,对应习题6-4,（3）散射光在不同方向上的强度公式,对应习题6-5,沿入射光方向（a=0）的散射光强度,观察方向与入射光束传播方向之间的夹角,（4）线偏振光照射到各向异性的介质上散射光为部分偏振光的公式,对应习题6-6,光的色散及其在生活中的应用,利用三棱镜墙壁上形成红橙黄绿蓝靛紫彩色光带。在这个光谱中实际上在红光的外侧还有红外线，在紫光的 外侧还有紫外线。我们把大面值人民币放在彩色光带的紫 外区域。把凸透镜放在色散光经过的路径上，使其离待检币 的距离略小于凸透镜的焦距，且在紫光外侧这样由三棱镜 分解出的紫外线，经凸透镜会聚，可形成较强的紫
20、外线光束。 沿着墙壁缓慢移动待检币，使紫外线束对待检币进行扫描时如果是真币仔细观察在紫外线的照射下，将 出现清晰的防伪图案。,利用光的色散现象验钞,这是由于光的色散现象，我们看到的色光，实际上是白光色散后所出现的单色光 由于白光色散后，它的传播方向已经发生了改 变，色散后的各种单色光传播方向也不相同，因 此，当视线方向改变时，所看到的色光的颜色也 不相同 ,早晨看到草上的露珠在日光中呈现鲜艳的颜色，而且颜色随视线的方向而改变，为什么？,当钻石被琢磨成几十 个小面后，射入钻石的白光，在折射过程中被分散成 单色光，显出七色霓虹般光彩，呈现光辉灿烂和晶莹 似火的光学效应，这种强烈的色散现象，是钻石最
21、珍 贵的特征,钻石,光的吸收、散射和色散,公式归纳及习题分析,吸收系数加上散射衰减系数后的光强减弱公式,朗伯定律,（光的吸收公式）,散射光在不同方向上的强度公式,光的散射公式,线偏振光照射到各向异性的介质上散射光为部分偏振光的公式,瑞利散射散射光强与波长四次方反比公式,朗伯定律加散射衰减系数的公式,偏振度公式,退偏振度公式,光的色散公式,角色散率公式,柯西公式,（1）朗伯定律加散射衰减系数的公式,对应习题6-1、6-2、6-3,（2）瑞利散射散射光强与波长四次方反比公式,对应习题6-4,（3）散射光在不同方向上的强度公式,对应习题6-5,沿入射光方向（a=0）的散射光强度,观察方向与入射光束传播方向之间的夹角,（4）线偏振光照射到各向异性的介质上散射光为部分偏振光的公式,对应习题6-6,
