光学教程(姚启钧)第6章光的吸收散射和色散

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1、6.1电偶极辐射对反射和折射现象的解释6.2光的吸收6.3光的散射6.4光的色散*6.5色散的经典理论第六章光的吸收、散射和色散1吸收散射色散光的三种现象都是光与物质的相互作用引起的，是不同物质光学性质的主要表现，实质上是由光和原子中电子相互作用引起的。对这些现象的讨论，有助于给我们提供原子和分子结构的信息。光的吸收和散射都造成光能量的衰减，在光纤通讯中减小介质的衰减乃是成功的关键技术之一。三种现象既与生活中的许多现象有关，又与现代光学技术的前沿课题紧密相关。例：物体的颜色是因为不同的物质对不同波长的光

2、波有选择的吸收的缘故，蔚蓝色的天空、旭日与夕阳的红色，都是光散射的结果，本章从经典理论出发介绍一些光的吸收、散射与色散方面的知识。26.1电偶极辐射对反射和折射现象的解释1．分子电偶极子模型经典模型用一组简谐振子代替实际物质中的分子电偶极子由两个电量相等、符号相反的带电粒子所组成。偶极子的正、负电荷原有自己的平衡位置，但在外电场的作用下他们离开了平衡位置。理想模型假定偶极子之间的相互作用准弹性力简谐振动+e-e3分子电偶极矩设其在平衡位置附近作简谐振动，并设正电荷静止在坐标原点电子电量电子离开原子核的距

3、离电子振动的圆频率0+e-e赤道SZ用球坐标表示电偶极子向周围辐射的电磁波，偶极子的电偶极矩P沿Z轴，波的电矢量E沿经线；磁矢量沿纬线，各处的波都是线偏振的。4可以证明，其辐射的电磁波坡印延矢量（能流密度矢量）绝对值：赤道SZ辐射强度（坡印延矢量的平均值）：R为观察者离偶极子的距离5赤道SZ光在半径为R的球面上各点的位相都相等，且较原点处落后R/c，但振幅则随角而变，这引起波的强度在同一波面上的不均匀分布。I和之间的关系赤道面上两极振幅62.电偶极子辐射对反射和折射现象的解释入射光波作用于介质分子（

4、原子），波长入（10-5cm）远大于原子间距（10-8cm），分子是有序排列的，各分子将依次按入射光波到达该分子时的相位作受迫振动并依次发出电磁波。各分子辐射的次波有一定位相关系。根据惠尔斯—菲涅耳原理，次波相干叠加的结果，在符合反射定律和折射定律的方向上，干涉相长，其他方向干涉相消，即合成反射光和折射光波。亦可用分子光学的观点说明布儒斯特定律（略）。7§6.2光的吸收在一个波长范围内，若某种媒质对于通过它的各种波长的光波都作等量（指能量）吸收，且吸收量很小。光通过具有吸收作用的介质后，光的强度会逐渐衰

5、减，一方面的原因是介质对光的吸收，另一方面原因是介质对光的散射引起的。光通过呈现一般吸收性的媒质时，光波几乎都能从媒质透射，因此又可说媒质对这一波长范围的光是透明的。通常所说的透明体，如玻璃、水晶，是指对白光呈现一般吸收性。除真空外，对全部波长范围内的光都透明的物体是不存在的。。一般吸收(普通吸收)性1.一般吸收和选择吸收8例如，lcm厚的玻璃板对可见光范围内的各种波长的光波都等量吸收1%（即透射光的功率密度为入射光的99%），然而玻璃对于波长大于2500nm的光波，或波长在3.5—5.0nm的光波几乎

6、都能完全吸收，因而对于红外线或紫外线来说，玻璃就成为非透明体了。9虽然橡皮对于可见光来说是一种非透明体，但它对于红外线却是良透明体。选择吸收性媒质吸收某种波长的光能比较显著如果不把光局限于可见光范围以内，可以说一切物质都具有一般吸收和选择吸收两种特性。选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因。例如，绿色玻璃是把入射的黄色光和蓝色光吸收掉，只剩下绿色光能够透过去。10一般吸收——吸收比较弱，基本不随波长而变化。选择吸收——吸收比较强，随波长发生急剧变化。自然界的物质都具有选择吸收，理想的一般吸收不存在，只能在一

7、小段范围内。I一般吸收区域选择吸收区域112朗伯定律光通过物质时，物质中的带电粒子作受迫振动，光波的一部分能量用来供给粒子作受迫振动所需的能量。若物质粒子与其它分子或原子发生碰撞，振动能量就可能转变为分子运动的平动动能，在这种情况下这部分光能量转化为热能，光能量消失。1729年，科学家根据实验建立一个吸收定律，后来，朗伯（J.H.Lambern)在1760又作了理论上的证明。在介质中传播距离朗伯定律光能减少值吸收系数12用单色光照射时，a可以认为是不变的，右边的负号表示x增加（dx>0）时，I减弱（

8、dI<0）。将上式积分，即可求出在通过厚度为d的吸收层后的光强。朗伯定律的数学表达式13例如在一个大气压强下，空气对可见光的玻璃对可见光的即光通过的空气，光强为光通过102cm=1m的玻璃，光强即降到入射光强的36%。此规律在光的强度变化非常大的范围内（约1020倍）都是正确的。14适用范围：线性光学领域，光强不能太强。实验证明：当光被透明溶剂中溶解的物质所吸收时，吸收系数与溶液的浓度C成正比A为一个与浓度无关的比例常数，表征吸收物质的分子