2022-2023学年高二物理竞赛课件：光的吸收、色散和散射

光的吸收、色散和散射 光的吸收、色散和散射 开始涉及光和物质的相互作用。 严格的理论解释需要利用量子理论，但通常情况下，用经典的电偶极辐射模型也可以给出较为直观而简明的定性解释及相应的物理图像。 洛仑兹(Lorentz)的电子论 光的吸收——光能的损耗 光场能 束缚电子受迫振动 反射波和折射波 物质中其它能量 激发 偶极辐射 光的吸收有两种：一般吸收和选择吸收。 一般吸收是物质对光能的吸收很少，吸收系数与波长无关，并且对某一波段的光的吸收量几乎一样。在可见光范围内，意味着光束通过媒质后只改变强度，不改变颜色。如：空气、纯水、无色玻璃等媒质。 选择吸收是物质对光能的吸收很多，并且随波长的变化而剧烈变化。由于可见光进行选择吸收，会使白光变为彩色光。绝大部分物体呈现颜色，都是其表面或体内对可见光进行选择吸收的结果。 定义：光通过介质后出现的出射光强小于入射光强的现象。 解释：用经典电磁理论中的振子模型解释：光能 振动能 热能。 (一) 物质对光吸收的一般规律 朗伯定律： 设光通过厚度为dx的介质层时， 光强由I减少为（I－dI），则有： 成立， 积分可得通过厚度为L的介质后的光强 I ， 这就是布格尔定律或朗伯定律。 I0 I I-dI dx x x+dx l X 一 光的吸收  —— 吸收系数, 单位长度上的光强吸收率 布格尔定律或朗伯定律，它是布格尔 ( P. Bouguer, 1698 – 1758 ) 在1729年发现的，朗伯 ( J.H. Lambert, 1728 –1777 )在1760年重新作了表述。 ( 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 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。 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。 (二) 吸收的波长选择性 光的吸收 （1）对于可见光来说,各种物质的吸收系数 金属 、玻璃 （2）吸收的波长选择性 如大气中：红外－水、CO2 紫外－臭氧 （3）吸收带的线宽问题 对于液体和固体，吸收带都比较宽，而对于气体则比较窄，通常只有10－3nm量级。 光吸收举例 玻璃：对可见光透明，对紫 外、红外不透明 ( 吸收 ) 隔着玻璃晒太阳？ 橡皮：对可见光不透明（吸收），对红外光透明. 混泥土：对可见光不透明（吸收），对无线电波透明. 树木: 对绿光反射，对其它光吸收. 玻璃之所以透明，是因为能被312nm - 1050nm 电磁波透过，312nm 1050nm 的电磁就是我们人眼可见的光；铁板之所以是不透明的， 是因为其不能被312nm - 1050nm 电磁波透过，但是波长更短的 电磁波却可以透过它，比如X射线，对于X射线来说，铁板其实就是 透明的，如果我们人眼能够接收X射线的话，那对于大多数物质来说 就是透视眼了。但是对于很厚的铅板，又不是透明的了。所以透明 是一个相对的概念。是由其内部原子结构和电磁波穿透力决定的。 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 呈单调下降。 色散率：dn/dl，介质的折射率随波长的变化率 正常色散：dn/dl<0，出现于介质的一般吸收光谱区域 反常色散：dn/dl>0，出现于介质的选择吸收光谱区域 (1) 牛顿的正交棱镜法 实验装置： 图1 观察色散现象的正交棱镜实验装置 S 白光光源 P2 L2 P1 L1 A B' B 没有p2加时 如果P1与P2的材料的色散特性不一样彩带将会弯曲 实验结果： ① 去掉棱镜P2时，观察平面上得到沿水平方向展开的连续光谱AB'。去掉棱镜P1时，光谱只沿竖直方向展开。P1和P2同时存在时，光谱将同时沿水平和竖直两个方向展开。 ② P1和P2材料性质相同时，最终展开的光谱带呈直线状，只是展开方向与水平面有一定夹角。P1和P2材料性质不同时，两个棱镜对于任意给定波长的谱