《光学》光的吸收色散散射√.ppt

* 济南大学物理学院 光学课件目录 * * Click to edit Master subtitle style 济南大学 物理学院 电子 教案 电子 教案 * 光学课件目录 济南大学理学院 * 第六章 光的吸收 色散和散射 §6.1 光的吸收 §6.1.1 吸收定律与复折射率√ §6.1.2 吸收与波长的关系√ §6.2 光的色散 §6.2.1 色散概念及其规律√ §6.2.2 光的相速与群速√ §6.3 光的散射 §6.2.2 瑞利散射 米氏散射和大粒子散射√ §6.2.2 拉曼散射√ 廷德尔散射 §6.1 光的吸收 §6.1.1 吸收定律与复折射率 一、吸收定律 光的吸收——光通过介质后出现的出射光强小于入射光强的现象。 设光通过厚度为dx 的介质层时，光强由I 减少为I+dI，dI0，光强的相对减少量与吸收层的厚度成正比。 1.布格-朗伯定律 α—为吸收系数。 设x = 0时,I=I0。对上式积分得 光强按指数规律衰减，该式就是布格-朗伯定律的数学描述。 定义： I0 I I＋dI dx x x+dx l x （1729年布格发现, 1760年朗伯描述） 2.比尔定律 实验表明：在浓度较低的溶液中，吸收系数?与溶液浓度C成正比，? =A·C。A为与溶液浓度C无关的常数，表征物质的分子特性。 于是朗伯定律可书为 （比尔定律） 二、吸收与介质折射率的关系——复折射率 在不考虑介质对光的吸收时,光学介质的折射率为 此时平面波在介质中的行波方程（波函数）为 当考虑介质的吸收时，波在介质中传播振幅要衰减。折射率应视为复数： 吸收系数为 ——振幅衰减系数。 行波方程则书为 非吸收部分表示相速和色散 对比 表示介质吸收 §6.1.2 吸收与波长的关系 一、一般吸收与选择吸收 一般吸收： ?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： ?值很大且随波长发生急剧变化，即呈现“不透明”状态。 除了真空以外，吸收普遍存在于一切介质中，任何介质都可发生两种类型的吸收，关键取决于波长。 选择吸收是电磁波与物质相互作用的普遍规律，而一般吸收只具有相对意义。 二、吸收光谱 吸收光谱——产生连续光谱的光源所发的光，在通过介质后产生吸收所形成的光谱。 线状光谱——在吸收光谱中出现了吸收线。 带状光谱——在吸收光谱中出现了吸收带。 水的吸收光谱 原子气体吸收一般为线状光谱，且吸收线的位置恰好是该气体发射光谱的谱线位置！ 固体、液体、分子气体吸收一般为带状光谱。 同一物质发射光谱和吸收光谱之间存在相当严格的一一对应关系。即：某种物质自身发射哪些波长的光，它就强烈地吸收那些波长的光。 几种物质较强的夫琅和费吸收谱线 §6.2 光的色散 §6.2.1 色散概念及其规律 一、色散的概念 色散——光通过介质时，传播速度随光的频率而变化，而不同波长的光具有不同的折射率的现象。 色散曲线——折射率随波长变化的曲线。 ——色散率（折射率随波长的变化率）。 二、正常色散 折射率 n 与波长λ的关系是很复杂的，所以色散曲线一般由实验测得。 几种常见光学材料的色散曲线 正常色散时折射率随波长的增加而单调下降 正常色散的经验公式 （柯西公式—经验公式） 一般取前两项，近似为 微分上式得介质的色散率为 一切无色透明介质在可见光区域均表现为正常色散。 （使用中取前两项已足够精确） （波长越长色散率越小） 三、反常色散 反常色散——某些波长段折射率出现随波长增大而增大的现象。 反常色散同样是物质的普遍性质（反常色散不反常）。反常色散与选择吸收密切相关，即发生于物质的选择吸收波段附近。 描述反常色散下n与?的经验公式为塞耳迈耶尔方程 A——常数； λ0——介质分子固有振动的波长。 石英晶体在红外区域中的反常色散特性曲线 反常色散 某种物质的全部色散曲线 §6.2.2 光的相速与群速 相速与群速的概念 理想平面单色波的行波方程为 式中v为波速，称之为相速度，等相面（相位相同的点构成的面）的速度，等相位点往前推进的速度。相速度是单色波所特有的一种速度。 实际光波是多个单色波的叠加，故绝对单色波不存在。 实际光波在真空中（无色散的介质中）传播时，各单色光以相同的速度传播，都等于相速度。 光在真空传播时，各单色波的合成波波形保持不变 实际光波在有色散的介质中传播，各单色光不会以相同的速度传播。 合成波（波群）的波形在传播过程中发生形变 其现象和前面讨论过的光学拍现象相似。 E1 t E2 t E t 群速度——等幅面（包络面上相同点构成的面）的传播速度。 仍以光学拍现象讨论（结果可推广） 等幅面： 等相面：