第4-1讲-光学性质课件.ppt
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- 光学 性质 课件
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1、引言引言:(1)微粒学说)微粒学说 (corpuscular theory)(2)波动学说)波动学说 (undulatory theory)(3)光)光 具有波粒二象性的物质具有波粒二象性的物质 粒子性:粒子性:光子光子(Photon):E=h=h c/n无线电波无线电波波长比可见光长得多,不能引起人的视觉,可以引起电子的振荡。由于波长很长,一个金属网笼,甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。n微波微波波长范围分布从毫米到几十厘米,他们在食物里很容易被水分子吸收,可是食物迅速被加热。n红外线红外线(IR)分布在微波和可见光之间,且仅能够在它聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感;红外线不
2、能透过玻璃,这一特性可以解释温室效应:晴天时,经过温室玻璃的可见光被植物吸收,而红外线被再次辐射,被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高,整个宇宙充满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红外辐射。n光与固体相互作用的本质有两种方式:q电子极化q电子能态转变q电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量;q在可见光范围内,电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化,即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移;所以,当光通过介质时,一部分能量被吸收,同时光速减小,后者导致折射。q电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程;q材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的
3、电子激发到较高能级上去,电子发生的能级变化E与电磁波频率有关:E=h受激电子不可能无限长时间地保持.在激发状态,经过一个短时期后,它又会衰变回基态,同时发射出电磁波,即自发辐射。2.2.光的反射与折射光的反射与折射2.1 2.1 反射定律与折射定律反射定律与折射定律光的反射和折射光的反射和折射n反射定律三线共面;反射角等于入射角n折射定律三线共面;2121nuusinisinn媒质中波动传到的各点,都可以看作是发射子波的波源,而在其后的任意时刻,这些子波的包络面就是新的波面。n也就是说,光波波前(最前沿的波面)上的每一点都可看作球面次波源,每一次波源发射的球面波以光波的速度v传播,经过时间t之
4、后形成球面半径为vt的球面次波。如此产生的无数个次波的包络就是t时间后的新波前。n该原理适用于机械波和电磁波2.2.光的反射与折射光的反射与折射2.2 2.2 折射率与传播速度的关系折射率与传播速度的关系2.2.光的反射与折射光的反射与折射2.2 2.2 折射率与传播速度的关系折射率与传播速度的关系n材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。q光密介质:在折射率大的介质中,光的传播速度慢;q光疏介质:在折射率小的介质中,光的传播速度快。材料的折射率从本质上讲,反映了材料的电磁结构(对非铁磁介质主要是电结构)在光波作用下的极化性质或介电特性。122121nnvvn在光束通过物质时,它的传播情
5、况将要发生变化。首先光束越深入物质,它的光强将越减弱,这是由于一部分光的能量被物质所吸收,而另一部分光向各个方向散射所造成的,这就是光的吸收和散射现象。其次,光在物质中的速度将小于光在真空中的速度,并将随频率而改变,这就是光的色散现象,光的吸收、散射和色散这三种现象,都有是由于光与物质的相互作用引起的,实质上是由光与原子中的电子相互作用引起的。这些现象是不同物质光学性质的主要表现,对它们的讨论可以为我们提供关于原子、分子和物质结构的信息。本章侧重于对现象及其唯象规律的描述,并用经典电子论对这些现象作进一步的解释。q由于光是一种能量流,在光通过材料传播时,会引起材料的电子跃迁或使原子振动,从而使
6、光能的一部分变成热能,导致光能的衰减,这种现象称为。n吸收系数3.1 基本性质基本性质n光通过物质时,光波中的振动着的电矢量,将使物质中的带电粒子作受迫振动,光的部分能量将用来提供这种受迫振动所需要的能量。n这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞,振动能量就会转变为平动动能,从而使分子热运动能量增加,物体发热。n光的部分能量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能,从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象,称为光的吸收(absorption)。3.23.2 吸收定律吸收定律材料对光的吸收机理:材料对光的吸收机理:q电子极化:电子极化:只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时,由此
7、引起的吸收才变得比较重要;q电子受激吸收光子而越过禁带;q电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光;q所以,只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时,光量子才可能被吸收。同时,材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。3.33.3 吸收的物理机制吸收的物理机制n禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波,但吸收机理不是激发电子从价带跃迁到导带,而是因其杂质在禁带中引进了附加能级,使电子能够吸收光子后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带的跃迁。3.33.3 吸收的物理机制吸收的物理机制n除了真空,没有一种物质对所
8、有波长的电磁波都是绝对透明的。n任何一种物质,它对某些波长范围内的光可以是透明的,而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。n例如,在光学材料中,石英对所有可见光几乎都透明的,在紫外波段也有很好的透光性能,且吸收系数不变,这种现象为;但是对于波长范围为3.55.0m的红外光却是不透明的,且吸收系数随波长剧烈变化,这种现象为。换言之,石英对可见光和紫外线的吸收甚微,而对上述红外光有强烈的吸收。3.4 3.4 一般吸收和选择吸收一般吸收和选择吸收4 4 介质对光的散射介质对光的散射 4.1 4.1 光散射现象光散射现象n当光束通过均匀的透明介质时,从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质
9、时,则从各个方向都可以看到光,这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果,这种现象称为光的散射光的散射。n例如,当一束太阳光从窗外射进室外内时,我们从侧面可以看到光线的径迹,就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故。4 4 介质对光介质对光的散射的散射 4.2 4.2 光散射分类光散射分类根据散射前后光子能量(或光波波长)变化与否,分为弹性散射与非弹根据散射前后光子能量(或光波波长)变化与否,分为弹性散射与非弹性散射性散射n 弹性散射:散射前后光的波长(或光子能量)不发生变化,只改变方向的散射。n 非弹性散射:当光通过介质时,从侧向接受到的散射光主要是波长(或频率)不发生变化的瑞利散射光,属
10、于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪,可以发现散射光中还有其它光谱成分,它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧,强度一般比弹性散射微弱地多。这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果,称为非弹性散射。一、弹性散射分类一、弹性散射分类按照散射中心尺度a0与入射光波长是大小,分为三类:Tyndall Scattering(J.Tyndall,1820-1893)4 4 介质对光介质对光的散射的散射 4.2 4.2 光散射分类光散射分类q当a0与相近时,=04q即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时,在04之间,具体取值与散射中心有关.米氏散射性质比较复杂。4
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