光学教案_教案光学

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6.1 光的吸收和散射

教 案

主讲： 朱 辉 单位：物电学院

2010-12-08【教学目的】

掌握光在传播中与物质的相互作用之一——能量变化（吸收和散射）。掌握朗伯定律。

掌握吸收光谱及其应用。

能够利用瑞利散射理论解释朝阳、蓝天现象。能够利用米氏散射理论解释白云和雾的现象。了解散射光的偏振性。

培养学生利用光的吸收和散射原理解释自然现象的能力。提高学生对环境保护的认识。【教学内容】

朗伯定律。

一般吸收和选择吸收。

吸收光谱及其应用。

光的散射定义。瑞利散射和米氏散射。蓝天、朝阳和白云现象。【教学重点】

朗伯定律、吸收光谱。

用散射理论解释自然界中的光学现象。【教学难点】

吸收光谱。电偶极辐射理论。

散射和漫射、反射和衍射的区别。散射光的偏振性。【课时安排】 45分钟 【预习要求】

观察自然界中的吸收和散射现象。【教学方法】

实验演示法、讲授法、谈话法等。【实验演示】

通过实验演示光的吸收和散射现象

通过PPT显示光的吸收和吸收光谱的动画或图片。【教学手段】

采用多媒体教学。【参考书目和参考文献】

1.赵凯华.新概念物理教程光学.北京:高等教育出版社,2004.11.2.钟锡华.现代光学基础.北京：北京大学出版社，2003.8.3.赵凯华,钟锡华.光学.北京:北京大学出版社,1984.4.母国光,战元龄.光学.北京:人民教育出版社,1979.5.郭光灿等.光学.北京:高等教育出版社,1997.6.张志军, 熊维巧.原子吸收分光光度法测定微量铬[J].化学工程师 , 2000,(03)7.孙立民, 郭丽娟.氢化物原子吸收分光光度法测定水中的汞[J].吉林水利 , 2002,(06)8.伯广宇等.探测大气温度和气溶胶的瑞利-拉曼-米氏散射激光雷达[J].光学学报,2010（01）.【作业】

Page291 6.2 [教学内容] 导入：

除了真空，没有一种介质对电磁波是绝对透明的。光的强度随穿进介质的深度而减少的现象，称为介质对光的吸收（absorption）。仔细的研究发现光不仅有吸收而且还有散射两种情况，前者是光能量被介质吸收后转化为热能，后者则是光被介质散射到四面八方。

演示1：光通过液体以后的变化，引入光与物质相互作用中的吸收和散射问题。发现

光束越深入物质，强度将越减弱

结论：

⑴ 光的能量被物质吸收——光的吸收现象

⑵ 光向各个方向散射 ——光的散射

6.1 光的吸收和散射

一、光的吸收 1.朗伯定律

实验表明，当光沿X方向均匀通过介质的时候，设光的强度在经过厚度dx的一层介质时强度由I减为I-dI。在相当广阔的光强范围内，-dI正比于I和dx，有

dIIdx

（1）

式中α是个与光强无关的比例系数，成为该物质的吸收系数。

为了求出光束穿过厚度为l的介质后的强度

图一 光的吸收

改变，（1）改写为

并在0到l区间对x进行积分。得

le

(2)

II0dIIdx

在光强不太强的情况下，大量的实验证明这个定律相当精确。

激光出现后，由于人类掌握的光强增加了几个甚至十几个数量级——这时候就出现光与物质作用的非线性效应（非线性光学）。

在液体中吸收系数α与液体浓度C的关系为

AC

(3)那么(2)式可以改写为

II0eACl

(4)公式(3)可以作为液体浓度测量的理论依据。2.一般吸收和选择吸收

在吸收的过程中，如果所有的波长的吸收都是一样的，我们称为普遍吸收，也可以称之为一般吸收。

a）一般吸收

吸收很少，并且在某一给定的波段内几乎不变。如：空气、无色玻璃和纯水都是在可见光范围内产生一般吸收。

不是所有的物质都是如此，对于广阔的电磁波了范围，一般吸收介质不可能存在。比如我们看一束白光通过一个滤光片，那么就会产生一些特殊的效果。如红色滤光片后变成红光，这种物质对某些波长吸收特别强烈的过程，我们称为选择吸收。

b)选择吸收

特点表现为：吸收很多，并且随着波长的变化而剧烈的变化。任何一种物质对光的吸收都是有这两种吸收组成。c）吸收曲线的应用。（如光纤吸收曲线）

图二 光纤的工作波长分段图

图二是光纤的吸收曲线，从图中可以看出吸收比较少的，而且应用最好是波长1550nm的窗口。这也是高锟的重要贡献。

图三 大气窗口

一般将大气的衰减作用相对较轻、透射率较高、能量较易通过的电磁波段定义为大气窗口。只有位于大气窗口的波段才能被用于生成遥感图像。在VIS—IR区段，常用的大气窗口有：0.3—1.3μm、1.5—1.8 μ m、2.0—2.6 μ m、3.0-4.2 μ m、4.3—5.0 μ m、8—14 μ m。在微波区段，主要采用的大气窗口为8mm附近和频率低于20GHz的波段。

3.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，用分光计可以看出默写线段或某些波长的光被吸收。这就形成了吸收光谱。

a)实验装置

图4 观察吸收光谱的实验装置

b)吸收光谱

当连续的白光通过吸收物质后再经过光谱仪器的分析，即可将不同波长的光被吸收的情况显示出来，形成“吸收光谱”。

c)吸收光谱与发射光谱的关系

图五 氢原子在可见光区域的发射光谱和吸收光谱

从图五中可以看出，吸收谱中的暗线和发射谱中明线意义对应，也就是说某种物质自身发射那些波长的光，它就强烈的吸收那些波长的光。

d)吸收光谱的应用

我们知道不同的元素对应有不同的发射谱线，就如同条形码一样。很多的时候我们无法也不能把元素加上高温让其发射谱线，如恒星表面覆盖的一层气体。

利用吸收谱观察太阳表面的元素构成：1868年法国人让桑（J.P.Janen）发现太阳光谱中出现了不知来源的暗线；后有英国天文学家洛尔基（J.N.Lockyer）取名为氦，源于希腊语意为太阳(helios)。这种物质1894年才有英国化学家莱姆赛（W.Ramsay）从亿铀矿蜕变的气体中发现。

利用吸收光谱测量：元素比例的定量分析。

二、光的散射

1.光的散射

在光学性质均匀的介质中或两种折射率不同介质的分界面上，无论光的直射、反射和折射都仅局限在某一个特定的方向上，而在其他方向上的光强则等于零，我们沿着光束的侧向观察就应该看不到光。

但光束通过光学性质不均匀的物质时，从侧向却可以看到光，这种现象叫光的散射。

2.电偶极辐射理论

光通过物质的时候，由于电场的作用，物质中的原子、离子或分子在入射光电场的作用下做受迫振动。设p=ez，z=Acoswt经典的理论告诉我们。

EHeA40cRE2sincos(t2Rc)

(5)

0czSHzpOpOEI

图六 电偶极辐射

图七 波的强度与角度的关系

能量可以用坡印廷矢量表示

SEHEH10cE(6)则波的强度的平均值为

SI10cE20eA32cR22224sin2

(7)有此可知，光在半径为R的球面上各点的相位都相等(球面波)，相位落后园心R/c，但是振幅随着角度变化。

3.散射与介质不均匀的关系

当光入射到介质上，将激起其中的电子作受迫振动，从而发出相干次波。注意这里的次波和惠更斯——菲涅耳原理假设的次波不同，这里是真是的振源。理论上可以证明，只要分子的密度是均匀的，次波相干叠加的结果，只剩下遵守几何光学规律的光线，沿着其余方向的振动完全抵消。但是，在微观的尺度，由于分子的涨落，没有物质是均匀的。那么当尺度达到波长量级的邻近小块之间的光学性质有较大差异时，在光波的作用下它们将成为强度差别较大的次波源，而且从它们到空间个点已有不可忽略的光程差，这些结果就远远不同于均匀介质的情况。如图八所示：

图八 散射、衍射和反射

图中可以看出，介质比较大的情况下，散射可以看作反射和折射。介质比较小的情况下，可以看作衍射。4．瑞利散射和米氏散射

瑞利在1871年针对细微质点的散射，通过大量的实验，提出了散射光强与波长的四次方成反比的规律。

从电动力学的结果我们也可以看出，偶极子的辐射功率也是正比与频率的四次方。究其原因，瑞利认为是热运动破环了分子之间的关联。

同样我们从上面的分析也可以看出，较大颗粒对光散射，不能仅仅看成独立的电偶极子的振荡合成了，它们有很大的一部分是相关的。对应大颗粒散射，米(C.Mie)和德拜(P.Debye)以球形质点为模型计算了电磁波的散射，给出了适用于任何球体的散射公式。如图九所示。

图九 瑞利散射和米氏散射

5.蓝天、朝阳和白云 首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光的结果。如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象是宇航员司空见惯了的。由于大气的散射，将阳光从各个方向射向观察者，我们才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光中的短波成分（蓝紫色）遭到散射比长波成分（红黄色）强烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚蓝色。瑞利曾对天空中各种波长的相对光强作过测量，发现与反比律颇相吻合。大气的散射一部分来自悬浮的尘埃，大部分是密度涨落引起的分子 散射，后者的尺度往往比前者小得多，瑞利反比律的作用更加明显。所以每当大雨初霁、玉宇澄清的时候，天空总是蓝得格外美丽可爱，其道理就在这里.由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余较多的自然是长波成分了。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，经历大气层的厚度要比中午时大得多，从而大气的散射效应也要强烈得多，这便是旭日初升时颜色显得特别殷红的原因（图十）。白云是大气中的水滴组成的，因为这些水滴的半径与可见光的波长相比已不算太小了，瑞利定律不再适用，按米-德拜的理论，这样大小的物质产生的散射与波长的关系不大，这就是云雾呈白色的缘故。

图十 蓝天和朝阳的形成6.散射光的偏振性

虽然从光源发出的光是自然光。但从正侧方（Z）观察时发现散射光是线偏振。斜方向观察发现是部分偏振的，唯有在X方向才是自然光。如图十一。

图十一 散射光的偏振性

先假定入射光是线偏振的，传播方向沿X轴，电矢量E沿平行Y轴的方向振动。根据电偶极振荡理论所有的受迫振动都是平行与Y轴的，由此产生的次级电磁波是球面波，向各个方向传播时，波的电矢量E’都是在电偶极子轴线DD’所在的平面内。由于光是横波，E’还必须垂直与波的传播方向。根据(7)式，在赤道面各点的振幅最大，两极为零。

同样可以把自然光的另外一部分沿着Z轴振荡处理。就可以得到上述的实验结果。

应用：蜜蜂利用偏振光和生物钟来辨别方向。

开车时司机带有偏光的太阳镜。