【文章內(nèi)容簡介】 的光（例如白光）通過具有選擇吸收的物質(zhì)，然后利用攝譜儀或分光光度計，可以觀測到在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條暗線或暗帶，這表明某些波長或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光譜（ absorption spectrum）。 167。 ３ 介質(zhì)對光的吸收 吸收光譜 ? 物質(zhì)的發(fā)射譜（ emission spectrum）有：線狀譜（ line spectrum），帶狀譜（ band spectrum）和連續(xù)譜等。 ? 大致說來，原子氣體的光譜是線狀譜，而分子氣體、液體和固體的光譜是帶狀譜，吸收光譜的情況也是如此。 ? 值得注意的是，同一物質(zhì)的發(fā)射光譜和吸收光譜之間有嚴格的對應關系，即物質(zhì)自身發(fā)射哪些波長的光，它就強烈吸收這些波長的光。 167。 ３ 介質(zhì)對光的吸收 吸收光譜 ? 按照經(jīng)典的電磁理論，原子可以看成是一系列彈性偶極振子的組合，其中每個振子有一定的固有頻率，于是原子就有了一系列的固有頻率。 ? 這種偶極振子一旦被外部能源激發(fā)，每個振子都會以其固有頻率作簡諧振動，并向周圍空間發(fā)出同一頻率的單色電磁波，從而在發(fā)射光譜上形成一條條的光譜線，形成了原子氣體的線狀發(fā)射光譜。 ? 當包含有各種頻率的白光照射在原子氣體上時，只有那些頻率與原子有固有頻率一致的電磁波，會引起共振而被原子氣體強烈地吸收，于是在原子氣體的吸收光譜中形成了一條條與原子核固有頻率對應的暗譜線。 167。 ３ 介質(zhì)對光的吸收 吸收光譜 167。 4 介質(zhì)對光 的散射 光散射現(xiàn)象 當光束通過均勻的透明介質(zhì)時，從側面是難以看到光的。但當光束通過不均勻的透明介質(zhì)時，則從各個方向都可以看到光，這是介質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結果，這種現(xiàn)象稱為光的散射 。 例如，當一束太陽光從窗外射進室外內(nèi)時，我們從側面可以看到光線的徑跡，就是因為太陽光被空氣中的灰塵散射的緣故。 光的散射導致原來傳播方向上光強的減弱 如果只計及各種散射因素，光強隨傳播距離的散射減弱仍符合指數(shù)衰減規(guī)律： 對于一般介質(zhì)中光強的減弱，來自兩個方面：吸收和散射，因此光強衰減為： 167。 4 介質(zhì)對光 的散射 光散射現(xiàn)象 lseII ???0? ? lsaeII ?? ???0167。 4 介質(zhì)對光 的散射 光散射分類 根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射 ? 彈性散射： 散射前后光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化，只改變方向的散射。 ? 非彈性散射： 當光通過介質(zhì)時，從側向接受到的散射光主要是波長（或頻率）不發(fā)生變化的瑞利散射光，屬于彈性散射。當使用高靈敏度和高分辨率的光譜儀，可以發(fā)現(xiàn)散射光中還有其它光譜成分，它們在頻率坐標上對稱地分布在彈性散射光的低頻和高頻側，強度一般比彈性散射微弱地多。這些頻率發(fā)生改變的光散射是入射光子與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞的結果，稱為非彈性散射。 一、彈性散射分類 按照散射中心尺度 a0與入射光波長 λ是大小，分為三類： 1. 廷德爾散射 Tyndall Scattering (， 18201893) 當 a0187。λ時， σ→ 0 即散射中心的尺度遠大于光波波長時，散射光強與入射光波長無關 如粉筆灰、白云呈白色 例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧 或灰塵的大氣中的散射。 167。 4 介質(zhì)對光 的散射 光散射分類 2. 米氏散射 Mile Scattering 當 a0與 λ 相近時， σ =0~4 即散射中心的尺度與光波波長可以比擬時， σ在 0~4之間 ,具體取值與散射中心有關 . 米氏散射性質(zhì)比較復雜。 167。 4 介質(zhì)對光 的散射 光散射分類 3. 瑞利散射 Rayleigh scattering ? 當 a0171。λ時， σ=4 即當散射中心的線度遠小于入射光的波長時，散射強度與波長的 4次方成反比 ? 通常我們把線度小于光的波長的微粒對入射光的散射，稱為瑞利散射（ Rayleigh scattering）。 ? 瑞利散射不改變原入射光的頻率。 167。 4 介質(zhì)對光 的散射 光散射分類 為了解釋天空為什么呈蔚藍色，瑞利（ ，18421919）研究了線度比光的波長小的微粒的散射問題，在 1871年提出了散射光強與波長的四次方成反比的關系，即 這就是 瑞利散射定律 。 41??sI167。 4 介質(zhì)對光 的散射 光散射分類 瑞利散射定律 在散射微粒的尺度比光的波長小的條件下，作用在散射微粒上的電場可視為交變的均勻場，于是散射微粒在極化時只感生電偶極矩而沒有更高級的電矩。 按照電磁理論，偶極振子的輻射功率正比于頻率的四次方。 瑞利認為，由于熱運動破壞了散射微粒之間的位置關聯(lián)，各偶極振子輻射的子波不再是相干的，計算散射光強時應將子波的強度而不是振幅疊加起來。 因此，散射光強正比于頻率的四次方 ,即反比于波長的四次方。實驗和理論都證明 ,較大的顆粒對光的散射不遵從瑞利散射定律，這時散射光強與波長的依賴關系就不十分明顯了。 167。 4 介質(zhì)對光 的散射 光散射分類 3. 瑞利散射 按照瑞利散射定律，我們不難理解晴天時晨陽與午陽的顏色不同。 入射波長越長，散射光強越小，即長波散射要小于短波散射。 因為大氣及塵埃對光譜上藍紫色光的散射比紅橙色光為甚，陽光透過大氣層越厚，其中藍紫色光成分損失越多，太陽顯得越紅。 167。 4 介質(zhì)對光 的散射 光散射分類 Global 早晨 中午 太陽光 二、非彈性散射分類 1. 拉曼散射 （ Raman scattering） ? 是分子或點陣振動的光學聲子（即光學模）對光波的散射。 ? 在光譜圖上距離瑞利線較遠，它們與瑞利線的頻差可因散射介質(zhì)能級結構不同而在 100?104之間變化。 2. 布里淵散射 （ Brillouin scattering） ? 是點陣振動引起的密度起伏或超聲波對光波的非彈性散射，即點陣振動的聲學聲子（即聲學模）與光波之間的能量交換結果。 ? 由于聲學聲子的能量低于光學聲子，所以布里淵散射的頻移比拉曼散射小，在光譜圖上它們緊靠在瑞利線旁，只能用高分辨的雙單色儀等光譜儀才能分辨出來。 167。 4 介質(zhì)對光 的散射 光散射分類 在真空中，光以恒定的速度傳播，與光的頻率無關。然而，在通過任何物質(zhì)時，光的傳播速度要發(fā)生變化，而且不同頻率的光在同物質(zhì)中的傳播速度也不同； 這一事實在折射現(xiàn)象中最明顯地反映了了出來，即物質(zhì)的折射率與光的頻率有關，折射率 n取決于真空中光速 c和物質(zhì)中光速 u之比，即 這種光在介質(zhì)中的傳播速度（或介質(zhì)的折射率）隨其頻率（或波長）而變化的現(xiàn)象，稱為 光的色散現(xiàn)象 。 64 v ?167。 5 介質(zhì)對光 的色散 色散的一般現(xiàn)象 1672年牛頓首先利用棱鏡的色散現(xiàn)象，把日光分解成了彩色光帶。 棱鏡的折射率為 在棱鏡頂角 A已知的條件下，通過最小偏向角 δm的測量，利用上式可以得到棱鏡材料對該波長的光的折射率 n。用各種波長 λ的光入射，即可得到 δm和 n隨波長 λ的變化關系。 ? ?? ?2/s i n2/s i ns i ns i n21AmAn ??? ???167。 5 介質(zhì)對光 的色散 色散的一般現(xiàn)象 在光譜儀中，棱鏡通常是安裝在接近于產(chǎn)生最小偏向角的位置上，因此棱鏡的角色散本領 D= dδ/dλ可通過對上式的微分得到，即 ? ?? ?? ?? ?? ? ? ? ? ??????????ddnmAAddnmddnddndmddmdD/2/c o s/2/s i n2/1////??????167。 5 介質(zhì)對光 的色散 色散的一般現(xiàn)象 波長相差 δλ的兩條譜線之間的角距離為 以上兩式中的 dn/δλ稱為色散率，它表征了棱鏡材料的色散性質(zhì)。 角色散本領 D= dδ/dλ也可以寫作 其中 b為棱鏡的底邊， a為光束的寬度。 ? ? ? ?? ?? ??????? ddnAnADd /2/12/2s i n21/2/s i n2 ???? ?? ??ddnabD //?167。 5 介質(zhì)對光 的色散 色散的一般現(xiàn)象 測量不同波長光線通過棱鏡的最小偏向角，就可以算出棱鏡材料的折射率 n與波長 λ之間的關系曲線，即色散曲線。 實驗表明，凡在可見光范圍內(nèi)無色透明的物質(zhì)，它們的色散曲線在形式上很相似，這些曲線的共同特點是， 折射率 n以及色散率 dn/dλ的數(shù)值都隨著波長的增加而單調(diào)下降，在波長很長時折射率趨于定值 ，這種色散稱為 正常色散（ normal dispersion）。 65 167。 5 介質(zhì)對光 的色散 正常 色散 一、定義 1836年，科希（ ）給出了正常色散的經(jīng)驗公式，即 式中 A， B和 C是與物質(zhì)有關的常量，其數(shù)值由實驗數(shù)據(jù)來確定， 當 λ變化范圍不大時，科希公式可 只取前兩項，于是有： 42 ??CBAn ???322???BddnBAn????二、科希公式 167。 5 介質(zhì)對光 的色散 正常 色散 實驗表明，在發(fā)生強烈吸收的波段，色散曲