大学物理 第15章光与物质相互作用.pptVIP

2004.9.9大连理工大学余虹*电偶极子模型本次课内容光的散射：瑞利散射，米氏散射，拉曼散射光的吸收：朗伯特定律光的色散：柯西公式一、电偶极子模型设入射光波的频率为?，其作用在原子分子中的带电粒子上的有效电场为：第15章光与物质相互作用15.1分子光学的基本概念原子分子中的带电粒子在电磁波的作用下作受迫振荡，形成振荡电偶极子，振荡电偶极子向外发射次波。光与物质相互作用就是电磁波与原子分子的相互作用1、电偶极子模型各向同性媒质中，原子分子中的带电粒子受电场力为：带电粒子还会受到其他电荷的作用，当其在平衡位置做微小振动时，这等效为准弹性力：作偶极振荡的带电粒子会向外辐射电磁波，这可等效为阻尼力：综合起来，带电粒子的运动方程为：阻尼系数：固有频率：将各力的表达式代入，有：定义一些参数简化方程：还有：得到简化的方程：则方程化为：2、感生电偶极矩表达式解上面的两个方程：这样得出稳态解：在光的电场作用下，带电粒子的感生电偶极矩：分子的极化率：?，有一般的感生电偶极矩与策动电场的关系：3、感生电偶极矩讨论?大，振幅小。a)感生电偶极矩的振幅与?0，m和?有关；幅角与?0，?有关。当???0，振幅最大。m大，振幅小。原子核、离子：质量大，惯性大，在频率较低的红外光中才能振动。电子：质量小，惯性小，在频率较大的紫外光和可见光中就能振动。b)感生电偶极矩会向外辐射电磁波，可以证明入射电场是简谐波时，该电磁波的频率是?，相位差也确定。c)复色光产生的感生电偶极矩，是其各个成员光产生感生电偶极矩的叠加。二、介质分类依据极化率?的不同，可以对介质进行分类：若分子感生偶极矩与策动电场方向平行，分子极化率的大小与电场方向无关，称为各向同性分子。若分子感生偶极矩与策动电场方向不平行，分子极化率的大小与电场方向有关，称为各向异性分子。注意：当介质中的分子无序分布时，无论由各向同性还是各向异性分子组成，整个介质呈各向同性。三、相干性分析入射光作用下形成的振荡电偶极子是次级辐射源在各向同性介质中，在一个远小于光的一个波长的非常小的尺度内，入射光的电场可以看作是均匀的，在该电场作用范围内的分子所形成的偶极子振动所辐射的诸次波是相干的。由偶极子振动所辐射的次波与产生该偶极子的入射波的关系，我们知道：次波与入射波也是相干的。1、非相干散射15.2光的散射光束通过光学性质不均匀的物质时，从侧面可以看到光，这就是光的散射。一、纯净介质的分子散射光射到稀薄气体上产生的散射光通常是不相干的，称为瑞利散射。考虑到入射波与次波，次波之间的相干性，要产生散射，必须破坏媒质的均匀性。纯净介质是指不含任何杂质的媒质；这种媒质的散射是由分子产生的，称分子散射。气体分子的无规热运动，使次级波源的分布无序，破坏了各波相位的相关性。a)瑞利散射公式研究散射光平行和垂直入射光和散射光决定的平面的两个分量光射到稀薄气体中的一个分子：散射光?入射光??是散射角由电动力学推得散射光光强的两个分量：I0//、I0?分别是入射光水平分量和垂直分量的光强所以一个分子在观测点对自然光产生的散射光强为：当光照射的体积内有N个分子，在观测点产生的总散射光强（非相干）为：清晨、傍晚阳光穿过大气的距离较中午长，所以被散射掉的短波成分更多——朝阳、夕阳呈红色。b)自然光入射一般气体，液体和固体中分子数密度很大，在一个小体积内有很多的分子，它们在光波的作用下，以同一相位振动，可以一个等效的偶极子来表示，由于体积元的有序性，散射光总是相干的。2、相干散射如果介质是严格均匀的，每个小体积元内的分子数相同，干涉的结果是不产生散射光，但由于热运动破坏了介质的均匀性，导致每个小体积元内的分子数不再相同，形成振幅不等的相干辐射源，使干涉相消方向也不能完全消光，形成散射光，这就是相干散射。相干散射与非相干散射效果相同，散射光强也是瑞利散射光强公式。3、散射光的偏振状态在各向同性介质，自然光，可分解成两束强度相等，振动方向互相垂直的两独立的线偏振光，在一般位置，散射光通常是部分偏振光。对各向异性介质，当用线偏振光照射时，侧向的散射光往往是部分偏振光，这种现象称为退偏振。定义退偏振度：?=1-P在各向同性介质，当线偏振光的振动方向平行由散射光和入射光决定的平面时，散射光强与?角有关；当线偏振光的振动方向垂直由散射光和入射光决定的平面时，散射光强与角无关。注意：衍射是个别不均匀区域造成的；散射是大量不均匀区域造成的。二、浑浊介质的散射均匀的气体或液体中，如混有与光的波长相同数量级或更大一些的液体或固体质元，就称为浑浊介质。浑浊介质