1 Chap.6 Absorption 、 Scattering and Dispersion of Light 主讲人：尹国盛 教授 河南大学物理与信息光电子学院

2 光通过物质时其传播情况就会发生变化： 光通过物质时其传播情况就会发生变化： ⒈ 光束越深入物质，强度将越减弱； ⒈ 光束越深入物质，强度将越减弱； ①光的能量被物质吸收 —— 光的吸收； ①光的能量被物质吸收 —— 光的吸收； ②光向各个方向散射 —— 光的散射。 ②光向各个方向散射 —— 光的散射。 ⒉ 光在物质中传播的速度将小于真空中 的速度且随频率而变化 —— 光的色散。 ⒉ 光在物质中传播的速度将小于真空中 的速度且随频率而变化 —— 光的色散。 —— 光和物质的相互作用是不同物质 光学性质的主要表现 —— 光和原子中电子 的相互作用. —— 光和物质的相互作用是不同物质 光学性质的主要表现 —— 光和原子中电子 的相互作用.

3 主 要 内 容 6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释 6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释 6.2 光的吸收 6.2 光的吸收 6.3 光的散射 6.3 光的散射 6.4 光的色散 6.4 光的色散 6.5 色散的经典理论 6.5 色散的经典理论

4 6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释 电偶极子模型 —— 可以解释：光在均匀各 向同性物质中直线传播，光在两种物质界 面上的反射定律、折射定律、布儒斯特定 律、光的传播速度 …… 电偶极子模型 —— 可以解释：光在均匀各 向同性物质中直线传播，光在两种物质界 面上的反射定律、折射定律、布儒斯特定 律、光的传播速度 ……

5 6.2 光的吸收 一、一般吸收和选择吸收 一、一般吸收和选择吸收 二、朗伯定律 二、朗伯定律 三、吸收光谱 三、吸收光谱

6 一、一般吸收和选择吸收 所有物质对某些范围内的光都是透明的， 而对另一些范围的光却是不透明的。 所有物质对某些范围内的光都是透明的， 而对另一些范围的光却是不透明的。 ①一般吸收：吸收很少，并且在某一给定 波段内几乎是不变的； —— 可见光（石英） ①一般吸收：吸收很少，并且在某一给定 波段内几乎是不变的； —— 可见光（石英） ②选择吸收：吸收很多，并且随波长而剧 烈地变化。 —— 红外光（ 3.5 ～ 5.0 µm ） ②选择吸收：吸收很多，并且随波长而剧 烈地变化。 —— 红外光（ 3.5 ～ 5.0 µm ） 任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。 任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。

7 二、朗伯定律 ⒈朗伯定律 光能 → 振动能 → 平动能 → 热能 光能 → 振动能 → 平动能 → 热能⒉比尔定律

8 三、吸收光谱 产生连续光谱的光源所发出的光，通过 有选择吸收的介质后，用分光计可以看出某 些线段或某些波长的光被吸收，这就形成了 吸收光谱。 产生连续光谱的光源所发出的光，通过 有选择吸收的介质后，用分光计可以看出某 些线段或某些波长的光被吸收，这就形成了 吸收光谱。 吸收光谱在化学、国防、气象等部门有 广泛的应用。 吸收光谱在化学、国防、气象等部门有 广泛的应用。

9 6.3 光的散射 一、散射的基本概念 一、散射的基本概念 二、散射与反射、漫反射及衍射现象的区别 二、散射与反射、漫反射及衍射现象的区别 三、瑞利散射 三、瑞利散射 四、散射光的偏振性 四、散射光的偏振性 五、散射光的强度 五、散射光的强度 六、分子散射 六、分子散射

光的散射 一、散射的基本概念 一、散射的基本概念 1. 定义：当光束通过光学性质不均匀的物 质时从侧向却可以看到光的现象，称为光 的散射。 1. 定义：当光束通过光学性质不均匀的物 质时从侧向却可以看到光的现象，称为光 的散射。

11 2. 分类： 2. 分类： ① ②按不均匀团块性质 ②按不均匀团块性质 廷

12 ⒊ 规律： aaaa

13 二、散射与反射、漫反射及衍射现象的区别 1. 散射与直射、反射及折射的区别 ——“ 次波 ” 发射中心排列的不同 1. 散射与直射、反射及折射的区别 ——“ 次波 ” 发射中心排列的不同 散射时无规则，而后者有规则。 2. 散射与漫反射的区别： —— 次波中心的排 列仍有某些不同的方向性 散射时无规则，而后者有规则。 2. 散射与漫反射的区别： —— 次波中心的排 列仍有某些不同的方向性 3. 散射与衍射的区别： 衍射：因个别的不均匀区域（孔、缝、小障 碍等）所形成的，不均匀区域范围大小 ≈ 。 散射：大量排列不规则的非均匀小 “ 区域 ” 的 集合所形成的，非均匀小区域的线度 < 。 3. 散射与衍射的区别： 衍射：因个别的不均匀区域（孔、缝、小障 碍等）所形成的，不均匀区域范围大小 ≈ 。 散射：大量排列不规则的非均匀小 “ 区域 ” 的 集合所形成的，非均匀小区域的线度 < 。

14 三、瑞利散射 1. 瑞利散射： < 的微粒对入射光的散射现象。 2. 瑞利定律：散射光强度与波长的四次方成反比， 即： I=f ( ) 瑞利散射： < 的微粒对入射光的散射现象。 2. 瑞利定律：散射光强度与波长的四次方成反比， 即： I=f ( ) -4 f ( ) —— 光源中强度按波长的分布函数 3. 应用：红光散射弱、穿透力强（信号旗、信号灯） → 红外线（遥感等） f ( ) —— 光源中强度按波长的分布函数 3. 应用：红光散射弱、穿透力强（信号旗、信号灯） → 红外线（遥感等）

15 四、散射光的偏振性 各向同性介质： 各向同性介质： 入射光是自然光，正侧方 向 —— 线偏振，斜方 c —— 部分 偏振，正对 x —— 自然光. 入射光是自然光，正侧方 向 —— 线偏振，斜方 c —— 部分 偏振，正对 x —— 自然光. 各向异性介质： 各向异性介质： 入射光是线偏振光，侧向 入射光是线偏振光，侧向 —— 部分偏振. —— 部分偏振. 偏振度： 偏振度：

16 五、散射光的强度 散射光的强度 散射光的强度  —— CO 与 OX 轴之间的夹角 。  —— CO 与 OX 轴之间的夹角 。

17 六、分子散射 晴朗的天空呈浅蓝色、清晨日出和傍 晚日落太阳呈红色。 晴朗的天空呈浅蓝色、清晨日出和傍 晚日落太阳呈红色。 白昼的天空是亮的、云雾呈白色等。 白昼的天空是亮的、云雾呈白色等。

光的色散 一、色散的特点 一、色散的特点 二、正交棱镜观察法 二、正交棱镜观察法 三、正常色散与反常色散 三、正常色散与反常色散

19 一、色散的特点 1. 色散光谱（由棱镜折射而成）是非匀排 的，衍射光谱（光栅）的谱线是匀排的。 1. 色散光谱（由棱镜折射而成）是非匀排 的，衍射光谱（光栅）的谱线是匀排的。 2. 各种物质的色散没有简单的关系。 2. 各种物质的色散没有简单的关系。

20 3. 同一种物质在不同波长区的角色散率有不同的 值： 它是两个因数的乘积：第一个因数主要与棱镜 的棱角 A 有关，第二个因数有关棱镜物质的色 散特性。 它是两个因数的乘积：第一个因数主要与棱镜 的棱角 A 有关，第二个因数有关棱镜物质的色 散特性。 要研究色散，重要的是找 在各波长区 的值，或者找出 n=f （ λ ）的函数形式。 要研究色散，重要的是找 在各波长区 的值，或者找出 n=f （ λ ）的函数形式。 ）

21 二、正交棱镜观察法 —— 显示色散最清楚的方法

22 三、正常色散与反常色散 1. 正常色散 : 波长越短折射率越大的色散。 1. 正常色散 : 波长越短折射率越大的色散。 柯西方程： 柯西方程： 经验公式， a 、 b 、 c 为常数。 一般： 经验公式， a 、 b 、 c 为常数。 一般： 色散曲线的特点： ①波长越短，折射率越大； ②波长越短， 越大，角色散率也越大； 色散曲线的特点： ①波长越短，折射率越大； ②波长越短， 越大，角色散率也越大； ③在波长一定时，不同物质的折射率越大， 也越大； ④不同物质的色散曲线没有简单的相似关系. ③在波长一定时，不同物质的折射率越大， 也越大； ④不同物质的色散曲线没有简单的相似关系.

23 2. 反常色散：波长越短，折射率越小的色散. 2. 反常色散：波长越短，折射率越小的色散. 孔脱定律：反常色散总是与光的吸收有密 切联系。 孔脱定律：反常色散总是与光的吸收有密 切联系。 “ 反常 ” 色散实际上也是很普遍的， “ 反常 ” 并不反常， “ 反常 ” 色散和 “ 正常 ” 色散仅是历史上 的名词。 “ 反常 ” 色散实际上也是很普遍的， “ 反常 ” 并不反常， “ 反常 ” 色散和 “ 正常 ” 色散仅是历史上 的名词。

色散的经典理论 介质的色散表示介质对于不同波长的入 射光有不同的折射率，即：不同频率的光波 在介质中的传播速度不同。 介质的色散表示介质对于不同波长的入 射光有不同的折射率，即：不同频率的光波 在介质中的传播速度不同。 λ 不同 → n 不同， λ 不同 → n 不同， 即： 不同 →  不同。 即： 不同 →  不同。

25 作 业 阅读： P 375 ～ 404 习题： P 404 ～ 、 4 、 9 选作： P 405 8

26 讨论题（ 6 ） 1. 光通过物质时，它的传播情况会发生哪些 变化？这些变化会表现出哪些现象？ 1. 光通过物质时，它的传播情况会发生哪些 变化？这些变化会表现出哪些现象？ 2. 光的吸收、散射和色散三种现象都是由啥 引起的？实质上是由啥引起的？ 2. 光的吸收、散射和色散三种现象都是由啥 引起的？实质上是由啥引起的？ 3. 光的吸收有哪两种？ 3. 光的吸收有哪两种？ 4. 朗伯定律和比尔定律的数学表达式为何？ 4. 朗伯定律和比尔定律的数学表达式为何？

27 5. 什么是瑞利散射？瑞利定律如何表述？ 5. 什么是瑞利散射？瑞利定律如何表述？ 6. 为什么晴朗的天空呈浅蓝色？ 6. 为什么晴朗的天空呈浅蓝色？ 7. 清晨日出或傍晚日落时，看到的太阳呈红 色，这是什么缘故？ 7. 清晨日出或傍晚日落时，看到的太阳呈红 色，这是什么缘故？ 8. 红光和蓝光通过薄雾时，谁的散射较强？ 8. 红光和蓝光通过薄雾时，谁的散射较强？ 9. 光的色散有哪两种？显示色散最清楚的方 法是什么？ 9. 光的色散有哪两种？显示色散最清楚的方 法是什么？ 10. 柯西方程是怎样表示的？孔脱定律是如 何表述的？ 10. 柯西方程是怎样表示的？孔脱定律是如 何表述的？

28 讨论题答案（ 6 ） 1. 答：（ 1 ）光通过物质时，它的传播情况会发 生两种变化：一是，光束愈深入物质，强度 将愈减弱；二是，光在物质中传播的速度将 小于真空中的速度，且随频率而变化。（ 2 ） 这些变化会表现出光的吸收、散射和色散三 种现象。 1. 答：（ 1 ）光通过物质时，它的传播情况会发 生两种变化：一是，光束愈深入物质，强度 将愈减弱；二是，光在物质中传播的速度将 小于真空中的速度，且随频率而变化。（ 2 ） 这些变化会表现出光的吸收、散射和色散三 种现象。 2. 答：（ 1 ）光的吸收、散射和色散三种现象都 是由光和物质的相互作用引起的。 （ 2 ）实 质上是由光和原子中的电子相互作用引起的。 2. 答：（ 1 ）光的吸收、散射和色散三种现象都 是由光和物质的相互作用引起的。 （ 2 ）实 质上是由光和原子中的电子相互作用引起的。 3. 答：光的吸收有一般吸收和选择吸收两种。 3. 答：光的吸收有一般吸收和选择吸收两种。

29 4. 答：朗伯定律和比尔定律的数学表达式分 别为： 4. 答：朗伯定律和比尔定律的数学表达式分 别为： 和 。 和 。 5. 答：（ 1 ）线度小于光的波长的微粒对入 射光的散射现象通常称为瑞利散射。 （ 2 ） 瑞利定律表述为：散射光强度与波长的四 次方成反比，即： 5. 答：（ 1 ）线度小于光的波长的微粒对入 射光的散射现象通常称为瑞利散射。 （ 2 ） 瑞利定律表述为：散射光强度与波长的四 次方成反比，即： I = f ( ) - 4 。 I = f ( ) - 4 。 6. 答：因为光的散射。 6. 答：因为光的散射。

30 7. 答：光的散射。 7. 答：光的散射。 8. 答：蓝光。 8. 答：蓝光。 9. 答：正常色散与反常色散； 9. 答：正常色散与反常色散； 正交棱镜观察法 。 正交棱镜观察法 。 10. 答：柯西方程为： ； 10. 答：柯西方程为： ； 孔脱定律：反常色散总是与光的吸收 有密切联系。 孔脱定律：反常色散总是与光的吸收 有密切联系。