m 主讲周自刚 西南师范大学光电所 Email:zizhou@163.net
主讲： 周自刚 Ph.D. 西南师范大学光电所 Email : zigzhou@163.net
主要内容 6电偶极辐射对反射和折射现象的解释 收 62光的吸 63光的散射 64光的色散 6.5色散的经典理论
主要内容 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
61电偶极辐射对反射和折射现象的解释 、电偶极子模型 p=ezz=Acos t eA R E o sin cos ol t 4丌Ec2R C E H 10C 颜=1E×团=EH=E doc S=l E2=Loe- 2 b loc 32丌2CR R代表观察者离偶极子距离
一、电偶极子模型 6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释 p z S H E O z p O I = − c R t c R eA E sin cos 4 2 2 0 c E H 0 = 2 0 1 E c S E H EH = = = 2 2 2 2 2 4 2 0 0 sin 32 1 cR e A E c S = I = = p ez = z = Acost R代表观察者离偶极子距离
对反射和折射现象的初步解料 光通过物质时,各分子将依 圆次按入射光到到达该分子时m 的相位做受迫振动 做受迫振动的各分子将依次 发出次级电磁波。 能初步解释直线传播、折射 和反射等现象
二、对反射和折射现象的初步解释 E1 E2 1 n n2 10 i 2 2 i z 光通过物质时，各分子将依 次按入射光到到达该分子时 的相位做受迫振动。 做受迫振动的各分子将依次 发出次级电磁波。 能初步解释直线传播、折射 和反射等现象
62光的吸收 般吸收和选择吸收 般吸收:若物质对各种波长λ的光的吸收程 度几乎相等,即吸收系数a与λ无关,则称为 般吸收.在可见光范围内的一般吸收意味着光束 通过媒质后只改变强度,不改变颜色。例如空气 纯气、无色玻璃等媒质都在可见光范围内产生 般吸收。 选择吸收:若物质对某些波长的光的吸收特别 强烈,则称为选择吸收。对可见光进行选择吸收 会使白光变为彩色光,绝大部分物体呈现颜色, 都是其表面或体内对可光进行选择吸收的结果
6.2 光的吸收 一、一般吸收和选择吸收 一般吸收：若物质对各种波长λ的光的吸收程 度几乎相等，即吸收系数a与λ无关，则称为一 般吸收.在可见光范围内的一般吸收意味着光束 通过媒质后只改变强度，不改变颜色。例如空气、 纯气、无色玻璃等媒质都在可见光范围内产生一 般吸收。 选择吸收：若物质对某些波长的光的吸收特别 强烈，则称为选择吸收。对可见光进行选择吸收， 会使白光变为彩色光，绝大部分物体呈现颜色， 都是其表面或体内对可光进行选择吸收的结果
从广阔的电磁波谱来考虑,一般吸收颠媒质是 不存在的,在可见光范围内一般吸收的物處往往 在红外和紫外波段内进行选择吸收乙故而择吸收 是光和物质相互作用的普遍规律,以泰例地 球大气对可见光和波长在30以上的吧透萌 的,波长短于300紫外线将被空气中的臭氧强烈 吸收,对于红外辐射,大气只在某些狭窄的波段内 是透明的。这些透明的波段称为“大气窗口”这 里的要吸收气体是水蒸汽,所以大气的红外窗口 与气象条件有密切关系 制作光仪器中棱镜、透镜的材料必须对所硬 波范围的透明的,由于选择吸收,任何光学 材料在外和练外端都有一定的透光极限。紫外光 谱仪中稜镜需用石英制作,红外光仪中的棱镜则 常岩提或 CaF2 LiF等晶体制成
从广阔的电磁波谱来考虑，一般吸收的媒质是 不存在的，在可见光范围内一般吸收的物质，往往 在红外和紫外波段内进行选择吸收，故而选择吸收 是光和物质相互作用的普遍规律，以空气为例，地 球大气对可见光和波长在3000埃以上的紫外是透明 的，波长短于3000埃紫外线将被空气中的臭氧强烈 吸收，对于红外辐射，大气只在某些狭窄的波段内 是透明的。这些透明的波段称为“大气窗口”。这 里的主要吸收气体是水蒸汽，所以大气的红外窗口 与气象条件有密切关系。 制作分光仪器中棱镜、透镜的材料必须对所研 究的波长范围的透明的，由于选择吸收，任何光学 材料在此外和红外端都有一定的透光极限。紫外光 谱仪中的棱镜需用石英制作，红外光仪中的棱镜则 常岩盐或CaF2、LiF等晶体制成
、朗伯定律 I+dI dx 如图61所示,光强为I0的单色平行光束沿轴 方向通过均匀物质,在经过一段距离x后光强 减弱到,再通过一无限薄层dx后光强变为 a(d<0)。实验表明,在相当宽的光 范围内,-d相当精确地正比于1和dx, dr=-a ldx absorption coefficient =1e 称为布格定律( Bouguer law)或朗伯定律。该定律是布格 ( P Bouguer,16981758)在1729年发现的,后来朗伯 ( I. H. Lambert,1728-1777)在1760年又重新作了表述
二、朗伯定律 如图6-1所示，光强为I0的单色平行光束沿x轴 方向通过均匀物质，在经过一段距离x后光强 已减弱到I，再通过一无限薄层dx后光强变为 I +dI （dI<0）。实验表明，在相当宽的光 强度范围内，-dI相当精确地正比于I和dx， 即 x+dx l dx x I I+dI 图 6-1 光的吸收规律 dI Idx = −a a d I I e − = 0 称为布格定律（Bouguer law）或朗伯定律。该定律是布格 （P.Bouguer，1698—1758）在1729年发现的，后来朗伯 （J.H.Lambert，1728—1777）在1760年又重新作了表述。 absorption coefficient
实验表明,当光被透明溶剂中溶解的物质吸收时,吸收 系数α与溶液的浓度C成正比,即an=AC,其中A是 个与浓度无关的常量。这时,式(6.1)可以写成 AC (6-2) 称为比尔定律( Beer law)。根据比尔定律,可以测定 溶液的浓度,这就是吸收光谱分析的原理。比尔定律表 明,被吸收的光能是与光路中吸收光的分子数成正比的, 这只有每个分子的吸收本领不受周围分子影响时才成立, 事实也正是这样,当溶液浓度大到足以使分子间的相互 作用影响到它们的吸收本领时就会发生对比尔定律的偏 离
实验表明，当光被透明溶剂中溶解的物质吸收时，吸收 系数αa与溶液的浓度C成正比，即αa =AC，其中A是一 个与浓度无关的常量。这时，式(6.1）可以写成 (6-2) 称为比尔定律（Beer law）。根据比尔定律，可以测定 溶液的浓度，这就是吸收光谱分析的原理。比尔定律表 明，被吸收的光能是与光路中吸收光的分子数成正比的， 这只有每个分子的吸收本领不受周围分子影响时才成立， 事实也正是这样，当溶液浓度大到足以使分子间的相互 作用影响到它们的吸收本领时就会发生对比尔定律的偏 离。 ACl I I e − = 0
用具有连续谱的光(例如白光)通过具有选择吸收的物质, 然后利用摄谱仪或分光光度计,可以观测到在连续光谱的背景 上呈现有一条条暗线或暗带,这表明某些波长或波段的光被吸 收了,因而形成了吸收光谱( absorption spectrum) 物质的发射谱( emission spectrun)有:线状谱(line spectrum),带状谱( band spectrum)和连续谱等。大致说来 原子气体的光谱是线状谱,而分子气体、液体和固体的光谱是 带状谱,吸收光谱的情况也是如此。值得注意的是,同一物质 的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系,即物质自身发 射哪些波长的光,它就强烈吸收这些波长的光。 按照经典的电磁理论,原子可以看成是一系列弹性偶极振子 的组合,其中每个振子有一定的固有频率,于是原子就有 系列的固有频率。这种偶极振子一旦被外部能源激发,每个振 子都会以其固有频率作简谐振动,并向周围空间发出同一频率 的单色电磁波,从而在发射光谱上形成一条条的光谱线,形成 了原子气体的线状发射光谱。当包含有各种频率的白光照射在 原子气体上时,只有那些频率与原子有固有频率一致的电磁波 会引起共振而被原子气体强烈地吸收,于是在原子气体的吸收 光谱中形成了一条条与原子核固有频率对应的暗谱线
三、吸收光谱 用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质， 然后利用摄谱仪或分光光度计，可以观测到在连续光谱的背景 上呈现有一条条暗线或暗带，这表明某些波长或波段的光被吸 收了，因而形成了吸收光谱（absorption spectrum）。 物质的发射谱（emission spectrum）有：线状谱（line spectrum），带状谱（band spectrum）和连续谱等。大致说来， 原子气体的光谱是线状谱，而分子气体、液体和固体的光谱是 带状谱，吸收光谱的情况也是如此。值得注意的是，同一物质 的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系，即物质自身发 射哪些波长的光，它就强烈吸收这些波长的光。 按照经典的电磁理论，原子可以看成是一系列弹性偶极振子 的组合，其中每个振子有一定的固有频率，于是原子就有了一 系列的固有频率。这种偶极振子一旦被外部能源激发，每个振 子都会以其固有频率作简谐振动，并向周围空间发出同一频率 的单色电磁波，从而在发射光谱上形成一条条的光谱线，形成 了原子气体的线状发射光谱。当包含有各种频率的白光照射在 原子气体上时，只有那些频率与原子有固有频率一致的电磁波， 会引起共振而被原子气体强烈地吸收，于是在原子气体的吸收 光谱中形成了一条条与原子核固有频率对应的暗谱线
光的散射现象 当光束通过均匀的透明介质时,从侧面是难以看到光的。但当光束通过 不均匀的透明介质时,则从各个方向都可以看到光,这是介质中的不均匀性 使光线朝四面八方散射的结果,这种现象称为光的散射。例如,当一束太阳 光从窗外射进室外内时,我们从侧面可以看到光线的径迹,就是因为太阳光 被空气中的灰尘散射的缘故。 光线通过均匀的透明媒质(如玻璃、清水)时,从侧面是难以看到光线的。 如果媒质不均匀,如有悬浮微粒的浑浊液体,我们便可从侧面清晰地看到光 束的轨迹,这是媒质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果。光的散射 与不均匀性的尺度有很大关系,下面我们就这个问题作稍细的解释 如果媒质的均匀性遭到破坏,即尺度达到波长数量级的邻近媒质小块之间在 光学性质上(如折射率)有较大差异,在光波的作用下它们将成为强度差别 较大的次波源,而且从它们到空间各点已有不可忽略的光程差,这些次波相 干迭加的结果,光场中的强度分布将与上述均匀媒质情形有所不同,这时, 除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,这就是 ,由此可见,尺度与波长可比拟的不均匀性引起的散射,也可看作是 它们的衍射作用,如果媒质中不均匀团块的尺度达到远大于波长的数量级 散射又可看成是在这些团块上的反射和折射了
6.3 光的散射 一、光的散射现象 当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过 不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性 使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。例如，当一束太阳 光从窗外射进室外内时，我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光 被空气中的灰尘散射的缘故。 光线通过均匀的透明媒质(如玻璃、清水）时，从侧面是难以看到光线的。 如果媒质不均匀，如有悬浮微粒的浑浊液体，我们便可从侧面清晰地看到光 束的轨迹，这是媒质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果。光的散射 与不均匀性的尺度有很大关系，下面我们就这个问题作稍细的解释。 如果媒质的均匀性遭到破坏，即尺度达到波长数量级的邻近媒质小块之间在 光学性质上（如折射率）有较大差异，在光波的作用下它们将成为强度差别 较大的次波源，而且从它们到空间各点已有不可忽略的光程差，这些次波相 干迭加的结果，光场中的强度分布将与上述均匀媒质情形有所不同，这时， 除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，这就是 散射光，由此可见，尺度与波长可比拟的不均匀性引起的散射，也可看作是 它们的衍射作用，如果媒质中不均匀团块的尺度达到远大于波长的数量级， 散射又可看成是在这些团块上的反射和折射了