第八章 光的吸收、色散和散射讲解
了解并解释光的散射和色散
了解并解释光的散射和色散光的散射和色散是光在传播过程中的两种主要现象。
了解和解释这两个概念可以帮助我们更好地理解光的性质和行为。
本文将介绍光的散射和色散，并对其进行详细解释。
光的散射是指光在遇到粒子或不均匀介质时发生的偏离原来方向的现象。
当光通过介质时，光与介质中的分子或粒子相互作用，使光的传播方向发生改变。
这种现象是由于光与物质之间的相互作用导致光能量的传递改变而发生的。
光的散射可以根据散射方向和散射粒子的尺寸将其分为不同类型。
例如，雷利散射是指当光通过与光波长相近的颗粒时，会发生较强的散射现象。
而米氏散射则是指当光通过比光波长更大的颗粒时，会发生较弱的散射现象。
光的色散是指光在通过介质时，其频率发生变化导致光波长度的扩散现象。
光的色散是由于光在不同介质中的传播速度不同而引起的。
当光波传播到介质中时，不同频率的光波受到不同程度的减速，导致波长的变化。
这个过程被称为光的色散。
光的色散可以分为正常色散和反常色散。
正常色散是指随着频率的增加，光的折射率减小，从而导致波长变长。
反常色散则是指随着频率的增加，光的折射率增大，使波长变短。
光的散射和色散在日常生活中有许多应用。
光的散射在大气中的现象中起着重要作用，例如天空为什么是蓝色的。
当太阳光射入大气中时，它与空气中的分子发生散射，而且蓝色光的散射比其他颜色的光强，因此我们看到的天空是蓝色的。
光的色散也有很多实际应用。
例如，棱镜可以利用光的色散原理将白光分解成不同颜色的光。
这种现象常见于彩色分光仪和光谱仪的工作原理中。
总之，光的散射和色散是光在传播过程中的两个基本现象。
光的散射是指光在遇到粒子或不均匀介质时偏离原来方向的现象，而光的色散是指光在通过介质时频率发生变化导致波长的扩散现象。
了解这两个现象可以帮助我们更好地理解光的性质和行为，以及应用于实际生活中的各种现象和设备。
物理光学 1光的吸收色散和散射
大气污染监测：通 过散射光谱分析监 测大气污染物质
云雾实验：利用散 射现象研究云雾的 物理特性
医学诊断：通过散 射光谱分析进行血 液检测和诊断
光的吸收、色散和 散射的关系
相互影响
光的吸收影响色散和散射：物质对光的吸收程度不同导致色散和散射现象的差异。
色散对吸收和散射的影响：不同波长的光具有不同的折射率导致光的色散进而影响物质的吸收 和散射特性。
色散的应用
彩虹的形成 分光仪器的使用 光学天文学的研究 颜色混合实验
光的散射
散射原理
散射现象：光在传播过程中遇到微小颗粒时发生偏离原直线方向传播的现象。 散射原理：光的散射遵循斯托克斯定律和米氏-摩雷森定律散射强度与波长的四次方成反比。 散射分类：根据散射颗粒的不同光的散射可分为瑞利散射和米氏散射。 散射应用：光的散射在气象学、生物学和光学等领域有广泛应用。
吸收光谱
产生原因：原子或分子中的 电子在不同能级间跃迁时产 生
定义：物质吸收特定波长的 光后会产生吸收光谱
应用：通过吸收光谱可以研 究物质的结构和性质
实例：氢原子吸收特定波长 的光后会产生巴尔末线系
吸收的应用
太阳能热水器利用黑色涂层吸收太阳能 植物通过叶绿素吸收阳光进行光合作用 黑色衣物更容易吸收热量穿着更凉爽 吸热玻璃能够吸收太阳光减少室内热量流失
光的色散
色散原理
光的色散是白光分 解成不同颜色的光 谱的现象
不同波长的光折射 率不同导致白光经 过棱镜后发生色散
牛顿是最早发现色 散原理的科学家之 一
色散现象在日常生 活中很常见如彩虹 的形成
色散类型
正常色散：波长越短折射率 越大
反常色散：波长越短折射率 越小
色散光谱
定义：光通过棱镜等光学元件被分解成不同颜色的光谱 原因：光的波长不同导致折射角不同 牛顿色散实验：发现白光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色组成 应用：光谱分析、天文学、化学等领域
物理光学课件：1_4光的吸收色散和散射
二,光的色散
❖ 光的色散的定义： 光在物质中传播时，其折射率（传播速度）随 光波频率（波长）而变的现象。 ❖ 光的色散分两种：正常色散、反常色散。
正常色散:折射率随光波长的 增大而减少,其色散曲线 n呈 单调下降。
色散率：dn/d，介质的折射率随波长的变化率
2．物理机制
光通过非均匀物质时，杂质微粒的线度一 般比光的波长小，它们彼此间的距离比波长大， 而且排列毫无规则。因此，当它们在光作用下 振动时彼此间无固定的相位关系，次级辐射的 不相干叠加，各处不会相消，从而形成散射光。
瑞利散射：1) 稀薄气体以及悬浮微粒的散射（d <λ/ 10）
2) 纯净气体或液体的散射（分子散射）
例2. 蜜蜂靠天空光的偏振性辨别方向（蜜蜂的眼睛中 有对偏振敏感的器官）
米氏散射的特点：
（1）散射光的强度与入射光波长的依赖关系不很显著， 因此散射光的颜色与入射光的颜色相近；（白云）
（2）前向散射较多（瑞利散射前后对称，中间最少）
( 极强光， 不再是常数，以上的布格尔定律不成立。)
自变透明现象，自变吸收现象: 非线性效应 比尔定律
比尔（A. Beer）于1852年从实验上证明，稀释溶液 的吸收系数a 正比于溶液的浓度C
C
I I0eCl
式中为与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收
物质分子的特征。
仅适用于稀释溶液。
(二) 吸收的波长选择性
选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律，由于选择吸收， 任何光学材料在紫外和红外端都有一定的透光极限，这一 点对于制作分光仪器中的棱镜，透镜材料选取显得非常重 要。
光的吸收
❖ （1）对于可见光来说,各种物质的吸收系数
完整版光的吸收色散和散射
关系，由此得到与 n 的关系，阐明了色散现象。 三 色散的特点
棱镜色散（色散光谱） 非匀排 光栅色散（光栅光谱） 匀排
光的吸收、色散和散射
波动及近 代光学
? 光的色散
棱镜色散：角色散率
D
?
d? d?
?
A
1
2 sin( ) 2
? n 2 sin 2 (
波动及近 代光学
光的吸收、色散和散射
光的吸收、色散和散射
1
波动及近 代光学
光的吸收、色散和散射理论主要 讨论光与物质的相互作用。这类现象 的研究有两方面的意义：一方面进一 步了解光的本性，另一方面可得到许 多有关物质结构的信息。
光的吸收、色散和散射
2
波动及近 代光学
光射入媒质，主要发生两个方面的变化：
分子看作做简谐振动的电偶极子 理想模型
振子在振动时，发射次级电磁波。
此模型是粗略的，却有一定的实验基础 （如高温低压气体会发射或吸收特定频率的光 波），也能定性解释一些现象，并为用量子理 论解释作准备。
光的吸收、色散和散射
波动及近 代光学
? 光的吸收
除了真空，没有一种物质对电磁波是绝
对透明的，光进入物质，使带电粒子受迫振 动，一部分光能 振动能 分子碰撞 平均动
赛从钇铀矿物蜕变出的气体中发现，说明地 球上也存在He。
光的吸收、色散和散射
波动及近 代光学
一
色散现象
? 光的色散
（1672年 牛顿）
不同频率的光在同一物质中传播速度不 同，即物质的折射率与光的频率有关，而折 射率取决于真空中光速与物质中光速之比。
光的吸收、色散和散射
吸收和散射
不均匀介质
Tyndall 散射（尺度＞0.3λ） Rayleigh 散射（尺度~分子大小）
Tyndall 散射
这类散射主要发生在光通过悬浮颗粒介质时 （如：乳浊液、烟雾、蒸汽、灰尘等） Tyndall 散射的特点 散射光强度与入射光波长的关系不大。例如 水蒸气对白光的散射，蓝天中的白云等。
三、选择吸收和吸收光谱
介质对某些特定波长或波段的电磁波会产 生强烈吸收。 选择吸收与分子键的固有频率有关。 选择吸收的特点： 1、吸收量大； 2、吸收随波长变化急剧；
物质的吸收光谱与光谱分析
通过分光光度计记录物质的吸光度随波 长的变化曲线—吸收光谱。 分光光度计的基本流程
光源 准之系统 狭缝 样品 色散 检测系统
§1 光的吸收
一、一般吸收 光在通过介质时，电场矢量使介质分子做受 迫振动，将能量传递给分子，使光的能量衰减。 一般吸收的特点： 1、吸收量小； 2、吸收系数随波长的变化很小，在一定波长范 围内可以视为常数；
二、朗伯——比尔定律
设：强度为I的光，在通过厚度为dx的介质 层后，衰减dI，实验表明
dI dx I
0 x x
其中 α为介质的吸收系数。 通过介质后
I0
I I-dI dx
I I 0e
x
实验表明：
对于溶液，吸收系数正比于液体浓度，即 α=Kc，代入上式得
I I 0e
kcx
——朗伯—比尔定律
在仪器分析中，常将朗伯—比尔定律改写为
A lg I cl I0
A
称之为吸光度 ε 称之为消光系数
0 1 ; 0 2 ....
Raman散射的基本规律
光的散射和色散
光的散射和色散光的散射是指光线在通过介质时与介质内的微粒或分子发生相互作用而改变方向的过程。
色散则是指介质对不同波长的光线发生不同折射角度的现象。
在这篇文章中，我们将探讨光的散射和色散的原理及其应用。
一、光的散射光的散射是一种光线通过某一介质时，由于该介质中微粒或分子的存在，导致光线的传播方向发生改变的现象。
光的散射主要分为弹性散射和非弹性散射两种。
1. 弹性散射弹性散射是指光线与介质中的微粒或分子发生碰撞，而散射光子的能量和频率没有发生改变。
这种散射过程中，散射光线的方向和入射光线的方向可以不同，但散射光线的频率和能量与入射光线保持一致。
弹性散射在大气中的霞光、白天的蓝天以及天空中的云朵都是典型的例子。
2. 非弹性散射非弹性散射是指光线与介质中的微粒或分子发生碰撞，而散射光子的能量和频率发生改变。
这种散射过程中，散射光线的频率发生偏移，导致光的颜色发生变化。
非弹性散射在生活中的常见现象包括晚霞、彩虹等。
光的散射不仅在自然界中普遍存在，也在科学研究和技术应用中具有重要作用。
例如，散射光的观测和分析可以用于探测物质的成分和结构，被广泛应用于光谱学、生物医学、大气科学等领域。
二、光的色散光的色散是指光线通过某一介质时，由于介质对不同波长的光线的折射率不同，导致光线发生折射角度的变化，从而使不同波长的光线分离出来，形成彩虹色的现象。
1. 常见的色散现象最典型的色散现象就是光经过三棱镜时，原本的白光被分解成七种颜色，即红橙黄绿蓝靛紫。
这是因为不同波长的光线在经过三棱镜时，由于折射率不同而产生的不同折射角。
此外，在大气中的折射现象也会导致光的色散。
例如，当太阳照射到大气中的水滴时，光线在水滴内部发生折射、反射和折射等过程，最终形成彩虹。
2. 色散的应用色散现象不仅呈现自然界中美丽的景观，也被应用于多个领域。
在光学仪器中，色散元件如棱镜和光栅被广泛应用于分光仪、激光器等设备中，用于分离和分析光谱。
另外，色散现象在光纤通信中也起着重要作用。
光的吸收、色散和散射
※ 在入射光作用下，原子或分子发生极化，并以入射光频率作受迫振 动，形成振动的电偶极子，从而发出次波
※ 在均匀介质中，这些次波叠加的结果使光只在折射方向继续传播下 去，而在其它方向上次波的干涉而相互抵消，没有出现光
或 dn
d
（6-21） （6-22）
一、正常色散 折射率随波长增加而减小的色散 ---正常色散
正常色散可以用科希（Canchy）公式来描写
n
A
B
2
C
4
（6-23）
通过三个波长实验测量3个n ---即可得A，B，C三个常数
对于波长间隔不太大时，可只取前两项：
n
A
B
2
（6-24）
dn
d
2B
3
（6-8） （6-9）
折射率 n 为复折射率
n2
r
1
1
Ne2
0m
1
02 2
i
同理 n 可写为
n n i
n2 n2 2 i2n
将（6-11）与（6-10）相对照，可得
n2 2 1 Ne2
0m
02 2 02 2 2 22
2n Ne2
0m
02 2 2 22
光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向而向四周散射的现象
散射分类： 1、k变化，波长不变
廷德尔散射 分子散射
瑞利散射，米氏散射
2、 k变化，波长也变化
Raman散射 Brillouin散射
廷德尔散射：液体、气体中悬浮粒子（包括尘埃）、大气中气溶胶、 烟雾等产生的散射
瑞利散射：颗粒大小< 1
光散射与色散现象
光散射与色散现象在我们日常生活中，经常会出现一些与光有关的现象，比如光的散射和色的散射。
光散射指的是光线与物体相遇后反射、折射或散射的现象；而色的散射则是指光在经过物质时被分散的情况。
那么这些现象背后的原理是什么呢？一、光散射1、光的反射当一束光线遇到一块平滑的玻璃或镜子表面时，光线会被反射回来，并保持原来的方向。
这种现象称为光的反射。
反射光的方向与入射光的方向相同，只不过反射光的传播方向与表面法线成一定的角度，这个角度称为入射角。
2、光的折射当一束光线从一种介质射向另一种介质时，光线的传播方向会发生改变，这种现象称为光的折射。
光线的折射角度与入射角度有关，也与两种介质的折射率有关。
当光线从光密介质射向光疏介质时，折射角大于入射角；当光线从光疏介质射向光密介质时，折射角小于入射角。
3、光的散射光的散射是指光线在与物质相互作用时，遇到不规则的物体表面或分子而被反射、散射的现象。
在太阳光照耀下，我们会看到许多尘埃粒子、水滴和分子等，它们就是光的散射体。
二、色散现象光的色散是指在透明物质中，不同波长的光线通过物质时被分散开来的现象。
一般来说，色散的情况会更明显在光穿过介质时射入光学仪器中，如棱镜、玻璃球或衍射光栅等。
在色散中，每一种颜色所对应的波长不同，因此颜色的散射程度也不相同。
红光波长较长，色散程度小；而紫光波长较短，色散程度大。
这也就是为什么我们在经过棱镜时，会将白光分解成七色光的原因。
三、应用光散射和色散现象在我们的日常生活中也有许多应用，比如激光的治疗、地球大气层的成像、天文学图像的处理，甚至还可以在食品、油漆和化妆品等的分析中发挥作用。
其中最为广泛的应用就是在光通信领域，光通信通过控制光线的散射和折射来传输信号，比传统的电信号传输方式更为高速和稳定。
此外，光散射还被用于雷达遥感、光谱学以及在汽车行业进行红外成像和安全检查等。
总之，光散射和色散现象是光学研究领域中的重点内容，其研究成果既有理论的价值，也有实用的应用意义。
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：称为衰减指数，
I E~* E~ E0 2 exp(2nx / c)
与 I I 0 e l比较
得： 2n / c 4n / 0
电磁波的衰减因介质的吸收而产生
4．光的吸收与波长的关系
1）普遍吸收与选择吸收
（1）普遍吸收：吸收系数 与波长无关，
入射光从介质透射或反射后只改变 强度不改变颜色。空气、纯水， 无色玻璃等介质都在可见光范围内 产生普遍吸收。
（2）选择吸收：吸收系数 与波长有关，白
光从介质透射或反射后变为彩色光。绝 大部分物体呈现颜色，都是表面或体内 选择吸收的结果。
（3）对所有电磁波普遍吸收的介质是不存在的。 对可见光普遍吸收的物质，往往对红外 或紫外光选择吸收。
d0变n 化不 大2B时只取d0
30
4）牛顿正交棱镜色散实验装置
3．反常色散
1）反常色散定义：折射率随波长增大而增大
即色散率大于零 dn / d 0
2）反常色散实验
3）反常色散特点 （1）物质在某波长区域有反常色散时，
在该区也有强烈吸收。 （2）在吸收带范围内存在反常色散，
令： (2 1) / 2,0 (1 2 ) / 2 k (k1 k2 ) / 2, k0 (k1 k2 ) / 2
设： 0, k k0
有： E(x,t) E1(x,t) E2(x,t)
2E0 cos(kx t)cos(k0x 0t)
在吸收带以外存在正常色散。
第八章 光的吸收、色散和散射
§3 群速
1．群速问题的引出
1860～1862年间测定 CS2折射率时 折射率法（n sin i1 / sin i2 ）测得：n' 1.64
速度法（n c / v）测得：n'' 1.758
两者差异很大，并非实验误差所致。
瑞利找到了原因，提出了光的相速和群速概念。
后形成的光谱，在连续谱背景上出现了一 些暗线和暗带。前者称为线状谱，后者 称为带状谱。 （2）发射光谱：物质发光时产生的光谱。吸收光 谱的暗线和发射光谱的亮线位置一一对应。 （3）特征光谱（标识谱线）：由原子独有的能级 结构生成的特有的吸收谱线
（4）光谱分析法：利用特征谱线检测物质中含有 何种元素成分的方法。
（3）在可见光波段，n变化缓慢； 在紫外区， n 变化剧烈。
（4）各曲线之间没有简单的几何相似性
2）正常色散定义： 折射率随波长增大单调下降
即色散率小于零 dn / d 0
3）正常色散的经验公式
注意：
n
A
B
20
C
40
（1）0是真空中的波长
（2）常量 A, B,C由介质性质决定
（3） （4）
这是一列振幅受到低频调制的高频波列
由等相面v方p程：ddxtk0xk000t C
它相当于“波包”的相速v p
由等幅面方程：kx t C
可以得到低频包络的传播速度：
vg
dx dt
k
d
dk
是“波包”的群速
4）频率连续分布的多列单色波叠加的波包的群速
将频率连续分布的多列单色波叠加：
§2 光的色散
1．色散概念
1）定义： 介质折射率随光的频率或波长变化的现象
2）色散曲线： 介质折射率随波长变化的函数关系
例如：n n() sin[ min () ]/ sin / 2 3）色散率：dn / d
介质折射率随波长的变化率
2．正常色散
1）正常色散 特点
（1）n和 dn / d 随波长增大单调下降 （2） 一定时，n愈大，dn / d也愈大。
E E0 exp[i(kx t)]
E0 exp[i(x / v t)] E0 exp[i(nx / c t)]
n v c ,令n~ n(1 i ) 为复数折射率
E E0 exp[i(nx / c t)]
E0 exp(nx / c) exp[i(nx / c t)]
第八章 光的吸收、色散和散射
§1 光的吸收
1．定义：
1）光路
光强度随穿进介质
dx
深度减弱的现象，
光吸收包含真吸收 和散射两部分。
I0
I
2．光吸收的线性规律
l
2）布格尔定律（朗伯定律）
：吸收系数， dI Idx，
ln I ln I0 l ，I I0el
3）吸收系数的物理意义
（4）臭氧强烈吸收波长短于 300nm的紫外光。
大气尤其是水蒸气强烈吸收红外辐射， 只在某些称为“大气的窗口”的狭窄 波段内透明。
（5）石英透光区：180nm , 4000nm 冕牌玻璃透光区：350nm , 2000nm
2）吸收光谱和发射光谱 （1）吸收光谱：具有连续谱的光通过吸收物质
令：l 1，I / I0 e1 36%
结论： 的量纲是长度的倒数， l 1/ 是光强减少到 e1 36%
时穿过的厚度
4）布格尔定律成立的条件
入射光强不太大，
确保与电磁场和光强无关。
5）比尔定律
若 AC，C：溶液浓度，
I I0e AlC
3．复数折射率及其意义
2 、相速和群速
1）相速定义：等相面的传播速度
2）相速的公式
由 E(x,t) E0 cos(kx t)
kx t C (常数) ，得：dt kdx
即：v p
dx dt
k
3）两列单色波迭加后的波包的群速
E1(x,t) E0 cos(k1x 1t)
E2 (x,t) E0 cos(k2x 2t)
d
dk
t
)k
']
U (x,t) E0 exp[i(0t k0x)]
k exp[i(x d t)k '] dk '
E(x,t) 1
2
k0 k k0 k
E0
(k
)
exp[i(kx
t
)]dk
对于准单色波列，频谱范围k很小
可取 E0 (k) E0
(k) ，令 k' k k0
将 (k )作泰勒展开，只保留前两项
(k0
exp[i(k0
)
x
d
( dk )kk0 k' 0t)]exp[i(x