上海交通大学：《大学物理教程》课程电子教案（课件讲稿）专题选读1 分子光学简介

专题选读11分子光学简介

专题选读11 分子光学简介

分子光学简介 分子光学：研究物质中的原子、分子与光波中电磁场 的相互作用及物质对光的吸收、色散和散射的结果。 一、光的吸收 光波通过介质时，有一部分光波能量被物质的原子 或分子吸收。实验证明，在普通光强下，通过介质 的光强是按下列朗伯(Lambert)定律衰减的： I=Ioe-ax (1) 式中和I分别为进入介质前和深入到介质内x处的光 强；α称为吸收系数，由介质的特性决定

分子光学简介 分子光学：研究物质中的原子、分子与光波中电磁场 ：研究物质中的原子、分子与光波中电磁场 的相互作用及物质对光的 的相互作用及物质对光的吸收 、色散 和散射的结果。 一、光的吸收 x II − α = e 0 式中 I和 I0分别为进入介质前和深入到介质内 x处的光 强； α 称为吸收系数，由介质的特性决定。 （ 1 ） 光波通过介质时，有一部分光波能量被物质的原子 或分子吸收。实验证明，在普通光强下，通过介质 的光强是按下列朗伯(Lambert)定律衰减的：

比尔(Beer)定律：当光波通过透明溶液时，溶液的吸 收系数a与其浓度p成正比，即akp，k为比例系数， 于是朗伯定律变为 I=Ine-kox (2) 式（2)称为比尔(Beer)定律。 介质对光的吸收分为： 一般吸收：吸收系数很小，且与光波的频率几乎无关； 选择吸收：吸收系数较大，并且与频率有关，即对某 些频率具有强烈的吸收。 不过这种分类是相对的、有条件的，在某个频率范围 是一般吸收，在另一频率范围可能就是选择吸收

比尔(Beer)定律：当光波通过透明溶液时，溶液的吸 收系数α 与其浓度ρ 成正比，即α=kρ ，k为比例系数， 于是朗伯定律变为 xk II − ρ = e0 （2） 式（2）称为比尔（Beer)定律。 介质对光的吸收分为： 不过这种分类是相对的、有条件的，在某个频率范围 是一般吸收，在另一频率范围可能就是选择吸收。 一般吸收：吸收系数很小，且与光波的频率几乎无关； 选择吸收：吸收系数较大，并且与频率有关，即对某 些频率具有强烈的吸收

例如无色玻璃、纯水在可见光范围内为一般吸收， 但在红外和紫外区则是选择吸收。 大气对可见光为一般吸收，而波长短于300nm的紫外 线都会被大气中的臭氧层强烈吸收，从而保护了地球 上的生命免受过量的紫外线辐射； 对于红外线，地球大气只 在某些狭窄的频率范围内 透明，这些透明的频率范 围就是通常所谓的“大气 窗口”，它是红外遥感、 红外跟踪和红外导航等技 术采用的波段

例如 无色玻璃、纯水在可见光范围内为一般吸收， 但在红外和紫外区则是选择吸收。 对于红外线，地球大气只 在某些狭窄的频率范围内 透明，这些透明的频率范 围就是通常所谓的 “大气 窗口 ”，它是红外遥感、 红外跟踪和红外导航等技 术采用的波段。 大气对可见光为一般吸收，而波长短于300nm的紫外 线都会被大气中的臭氧层强烈吸收，从而保护了地球 上的生命免受过量的紫外线辐射；

自然界万物的颜色大部分也是由于物质发生选择吸收 的结果。 例如：叶绿素吸 收了除绿色外其 它波长的光使树 叶呈绿色；花中 的花青素对不同 频率的光波有不 同的吸收使花有 不同的颜色

自然界万物的颜色大部分也是由于物质发生选择吸收 的结果。 例如：叶绿素吸 收了除绿色外其 它波长的光使树 叶呈绿色；花中 的花青素对不同 频率的光波有不 同的吸收使花有 不同的颜色

二、光的色散 光的色散是指波的相速度随频率（或波长)变化的现象。 可见光区 正常色散：折射率n随波 重火石玻璃 长增加而减小的色散。 1.70 正常色散的n随波长2的 轻火石玻璃 1.60 关系可用柯西(Cauchy) 结晶石英 色散公式表示： 1.50 熔石英 n(2)=A+B/2+C/ 荧石 1.40 0 200 400 600 800 1000 m式中A、B、C为一组常 数，由介质的特性决定

二、光的色散 光的色散是指波的相速度随频率（或波长）变化的现象。 正常色散：折射率n随波 长λ增加而减小的色散。 正常色散的n随波长λ的 关系可用柯西（Cauchy) 色散公式表示： 42 ++= CBAn //)( λλλ 式中A、B、C为一组常 数，由介质的特性决定

反常色散：折射率随波长增加而增加的色散。 反常色散是勒鲁Le Roux)在1862年首次发现的。他用 三棱柱形容器充以碘蒸汽观察到紫光的偏折比红光的 偏折小。此现象与正常色散的情况刚好相反，因而被 勒鲁称为反常色散。 后来，孔特(Kundt)系统观察了许多材料的反常色 散，最后得出反常色散与介质对光的吸收密切相关。 其实，所谓反常色散并不反常，只不过是任何物质在 其选择吸收带附近的一种共有现象

反常色散：折射率n随波长λ增加而增加的色散。 反常色散是勒鲁(Le Roux)在1862年首次发现的。他用 三棱柱形容器充以碘蒸汽观察到紫光的偏折比红光的 偏折小。此现象与正常色散的情况刚好相反，因而被 勒鲁称为反常色散。 后来，孔特（Kundt)系统观察了许多材料的反常色 散，最后得出反常色散与介质对光的吸收密切相关。 其实，所谓反常色散并不反常，只不过是任何物质在 其选择吸收带附近的一种共有现象

三、光的散射 光散射：因介质的不 均匀而使其中一部分 光偏离传播方向的现 象。 14/4704 当一束光通过均匀的 透明介质时，从侧面 是看不到光束的。但 如果光束通过浑浊的 液体或有烟雾的空间 时，就能在侧面看清 楚了。 t4/4/04

三、光的散射 光散射：因介质的 不 均匀而使其中一部分 光偏离传播方向的现 象。 当一束光通过均匀的 透明介质时，从侧面 是看不到光束的。但 如果光束通过浑浊的 液体或有烟雾的空间 时，就能在侧面看清 楚了

介质的不均匀性引起光散射有两类： 1、分子散射（瑞利散射） 在纯净介质中因分子热运动引起密度起伏或因分子各 向异性引起分子取向起伏，导致介质的光学不均匀性 而产生光散射的现象。 特点：散射光强与入射光波长的四次方成反比， 即 I(2)c1/4 瑞利散射定律 此外，散射光强与方向有关， 可表示为 10=0+cos0), 式中B是散射光方向与入射光方向的夹角

1、分子散射（瑞利散射） 特点：散射光强与入射光波长的四次方成反比， 4 I ∝ /1)( λλ ——瑞利散射定律 此外，散射光强与方向有关， 可表示为 介质的不均匀性引起光散射有两类： 在纯净介质中因分子热运动引起密度起伏或因分子各 向异性引起分子取向起伏，导致介质的光学不均匀性 而产生光散射的现象。 即 ),cos1( 2 )( 0 2 θ += θ I I 式中θ 是散射光方向与入射光方向的夹角

2、由介质中的杂质、颗粒或介质本身的缺陷引起的 散射。 特点：散射光强与入射光波长的关系为 I(九)∝1/2 式中o的取值与散射颗粒尺寸a有关，若>2，则 o-→0，散射光强与波长无关，称为丁铎尔J.Tynda) 散射；若a<2,则c→4，就过渡到瑞利散射；当a≈九， σ可取0~4之间的某数值，这就是米氏散射。 上述两类散射中，散射光的频率与入射光的频率是相同 的。是否存在散射光频率与入射光频率不同的散射呢？

2、由介质中的杂质、颗粒或介质本身的缺陷引起的 散射。 式中σ 的取值与散射颗粒尺寸a0有关，若a0 >>λ，则 σ→0，散射光强与波长无关，称为丁铎尔(J. Tyndall) 散射；若a0 <<λ,则σ→4，就过渡到瑞利散射；当a0≈λ， σ 可取 0 ~ 4之间的某数值，这就是米氏散射。 上述两类散射中，散射光的频率与入射光的频率是相同 的。是否存在散射光频率与入射光频率不同的散射呢？ σ I ∝ /1)( λλ 特点：散射光强与入射光波长的关系为