光的吸收、散射和色散(I)

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1、教学目标：掌握朗伯定律、瑞利定律；理解光的吸收、散射和色散的特点及相互联系；了解有关现象的经典理论解释。内容分析：第一单元（§1）：经典电磁理论中用以解释光与物质相互作用的电偶极子模型。第二单元（§2）：光的吸收及规律。第三单元（§3）：光的散射及规律。第四单元（§4）：光的色散及规律。第六章光的吸收、散射和色散定义：光通过介质后出现的出射光强小于入射光强的现象。解释：用经典电磁理论中的振子模型解释：光能振动能热能。2·1吸收定律朗伯定律：设光通过厚度为dx的介质层时，光强由I减少为（I－dI），则有：成立，积分可得通过厚度为L的介质后的光强I，这就是朗伯定律，式中a称吸收系数。I0

2、II-dIdxxx+dxlX§2光的吸收比尔定律：实验表明：在浓度较低的溶液中，吸收系数a与溶液浓度C成正比，a=A·C。A为与溶液浓度C无关的常数，表征物质的分子特性。代入a与C的关系，朗伯定律变形为:这称为比尔定律。利用比尔定律通过测量I可得溶液的浓度C。2·2吸收类型一般吸收：a值很小且不随波长发生明显变化，即呈现所谓“透明”状态。选择吸收：a值很大且随波长发生急剧变化，即呈现“不透明”的状态。吸收普遍存在于一切介质中，任何介质中都可发生两种类型的吸收，关键取决于波长。2·3吸收光谱产生连续光谱的光源在通过介质后会产生吸收，所形成的光谱为吸收光谱，如图6－5所示。吸收系

3、数大的位置出现谱线消失。用途：物质的定量分析；气象、天文研究。定义：光通过某些介质时，在偏离正常传播方向上有光出射的现象。3·1散射类型1、瑞利散射发生于混浊介质中。原因是在均匀介质中包含许多线度比波长更小的、折射率不同的其他物质的微粒。2、分子散射发生于表面看来均匀纯净的介质中。原因是介质中分子密度起伏破坏了介质的均匀性而导致。§3光的散射3·2散射定律正常传播方向上的光强:因为散射分散了正常传播方向上的光能量，表现为正常传播方向上光强的减弱，故可用朗伯定律描述：s称散射系数，出射光仍为自然光。散射光的光强:设观察方向与正常传播方向之间的夹角为，散射光强为：注意，观察面为X-O-

4、Z平面，参见图6--8。3·3瑞利散射定律实验表明：散射光中各种波长的能量不是均匀分布的，短波占有明显优势，即有的关系成立，这个关系称为瑞利定律。3、散射光的偏振特性：在垂直于光束的方向上（z）观察，散射光为平面偏振光。其他方向上（y,c）观察到的是部分偏振光。3·4分子散射是由物质分子密度的涨落而引起的，它弱于瑞利散射。定义：光通过介质时，传播速度随频率而变化，因而不同波长的光具有不同的折射率值的现象。4·1色散现象与经典电磁理论的矛盾由麦克斯韦方程组可得：由此可得n与频率、波长无关。§4光的色散色散现象的客观存在说明了电磁理论存在缺陷。只有在深入研究物质原子结构的基础上，才能解

5、释折射率随频率变化的原因。物质的色散特性可用角色散率D描述：对棱镜表征关系的存在，即表征物质的色散特性。4·2色散曲线和光谱实验中用正交棱镜观察法测量色散曲线，参见图6－12。对棱镜有最小偏向角,0可表示谱线的移动距离，即谱线可表示出n～之间的关系。色散曲线：实验中通过测定不同波长的光对应的0，得出n～关系，即为色散曲线。插图6---14：色散曲线的特点：1、随着波长值的变大，折射率值减小。2、短波段色散曲线斜率较大，角色散率较大。3、波长一定，介质的折射率越大，色散曲线斜率越大。特点：1、光谱线是非均匀排布的。2、短波段的角色散率比长波段的大（可比较a、c）。3、折射率大则角

6、色散率大，光谱展开得宽（比较a、b）。色散光谱：利用摄谱仪拍摄了几种物质的色散光谱如下：4·3色散类型及方程正常色散：特点：波长变大时，折射率值n变小，角色散率D变小。一切无色透明介质在可见光区域均表现为正常色散。描述正常色散时n与关系的经验公式为科希方程：a、b、c为由介质特性决定的常数，由实验得出。当波长变化范围不大时，科希方程可取近似形式：由上两式可得：,与正常色散曲线、光谱的特点相吻合。反常色散：在某些波段会出现，波长变大时折射率值增大的现象，这称为反常色散。反常色散同样是物质的普遍性质。反常色散与选择吸收密切相关，即在发生物质的选择吸收波段附近出现反常色散。请参见图6--

7、18。描述反常色散下n与关系的经验公式为塞耳迈耳方程：由此式得：当0时，n，这是塞耳迈耳方程的一个较大的缺陷。