散射前后光的波长或光子能量.ppt

材料物理基础 5 材料的光学 光与固体相互作用的本质有两种方式： 电子极化 电子能态转变 电子极化 电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量； 在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移； 所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。 正是因为介质的极化，“拖住”了电磁波的步伐，才使得其传播速度变得比真空中慢。 构成材料元素的离子半径。大离子可提高n，小离子可构成低n的材料。如：PbS n=3.912, SiCl4 n=1.412。 材料的结构、晶型。 根据光线通过材料的表现，把介质分为均质介质和非均质介质。非晶态(无定型体)和立方晶体结构，当光线通过时，光速不因入射方向而改变，故材料只有一个折射率，称为均质介质。除立方晶体外的其他晶型都属于非均质介质，其特点是光进入介质时产生双折射现象。 双折射现象使晶体有两个折射率：其一是服从折射定律的寻常光的折射率。不论入射方向怎样变化，始终为一常数；而另一折射光的折射率随入射方向而改变，称为非寻常光的折射率。 材料存在的内应力 有内应力的透明材料，垂直于存在的主应力方向的n值大，平行于主应力方向的n值小。 同质异构体 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率较高。例如：常温下的石英玻璃n＝1.46,常温下的石英晶体n＝1.55；高温时，鳞石英n＝1.47，方石英n＝1.49。可见，常温下的石英晶体n最大。 设一块n=1.5的玻璃m=0.04，1-m=0.96，其折射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，则透过部分为(1-m)2=0.922；若连续透过x块平板玻璃，则透过部分为(1-m) 2x。由于一般玻璃、陶瓷的折射率比空气大，故反射显著。 若透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更大，为减小这种界面反射损失，常采用折射率与玻璃相近的胶将它们粘起来，使得除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面都是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减小界面的反射损失。 由于光是一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的价电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减。这种现象称为光的吸收。 上图所示是材料的光吸收系数与电磁波波长的关系。由图可见，在电磁波可见光区，金属和半导体介质对其吸收都是很大的，但电介质材料，包括玻璃、陶瓷、高聚物等材料在可见光波谱区吸收系数很小，具有良好的透过性。 除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。 任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。 若材料在可见光范围对各种波长的吸收程度相同，则称为均匀吸收，它随吸收程度的增加使颜色从灰变到黑； 若材料对某一波长吸收系数很大而对另一波长吸收系数很小，则称为选择吸收，透明材料的选择吸收使其呈不同的颜色。 对于同一材料而言，波长愈短则折射率愈大； 波长愈短色散率愈大； 不同材料，对同一波长，折射率大者色散率也大； 不同材料的色散曲线间没有简单的数量关系。 色散（率）对于光学玻璃是重要参量，因为色散严重造成单片透镜成像不够清晰，在自然光的透过下，像的周围环绕了一圈色带。克服的方法是用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成复合镜头，以消除色差，这被称之为消色差镜头。 光的散射 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。 光散射分类 根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性散射与非弹性散射 弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射。 非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可发现散射光中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱得多。这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为非弹性散射。 瑞利散射 Rayleigh scattering 通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散射（Rayleigh scattering）。 瑞利散射不改变原入射光的频率。 为了解释天空为什么呈蔚蓝色，瑞利（L. Rayleigh，1842-1919）研究了线度比光的波长小的微粒的散射问题，在1871年提出了散射光强