6.1 光的吸收和散射
教案
主讲：朱辉单位：物电学院
2010-12-08
掌握光在传播中与物质的相互作用之一——能量变化（吸收和散射）。
掌握朗伯定律。
掌握吸收光谱及其应用。
能够利用瑞利散射理论解释朝阳、蓝天现象。
能够利用米氏散射理论解释白云和雾的现象。
了解散射光的偏振性。
培养学生利用光的吸收和散射原理解释自然现象的能力。
提高学生对环境保护的认识。
【教学内容】
朗伯定律。
一般吸收和选择吸收。
吸收光谱及其应用。
光的散射定义。瑞利散射和米氏散射。
蓝天、朝阳和白云现象。
【教学重点】
朗伯定律、吸收光谱。
用散射理论解释自然界中的光学现象。
【教学难点】
吸收光谱。电偶极辐射理论。
散射和漫射、反射和衍射的区别。
散射光的偏振性。
45分钟
【预习要求】
观察自然界中的吸收和散射现象。
【教学方法】
实验演示法、讲授法、谈话法等。
【实验演示】
通过实验演示光的吸收和散射现象
通过PPT显示光的吸收和吸收光谱的动画或图片。
【教学手段】
采用多媒体教学。
【参考书目和参考文献】
1. 赵凯华.新概念物理教程光学.北京:高等教育出版社,2004.11.
2. 钟锡华.现代光学基础.北京：北京大学出版社，200
3.8.
3. 赵凯华,钟锡华.光学.北京:北京大学出版社,198
4.
4. 母国光,战元龄.光学.北京:人民教育出版社,1979.
5. 郭光灿等.光学.北京:高等教育出版社,1997.
6. 张志军, 熊维巧. 原子吸收分光光度法测定微量铬[J]. 化学工程师 , 2000,(03)
7. 孙立民, 郭丽娟. 氢化物原子吸收分光光度法测定水中的汞[J]. 吉林水利 , 2002,(06)
8. 伯广宇等. 探测大气温度和气溶胶的瑞利-拉曼-米氏散射激光雷达[J].光学学报,2010（01）. 【作业】
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[教学内容]
导入：
除了真空，没有一种介质对电磁波是绝对透明的。光的强度随穿进介质的深度而减少的现象，称为介质对光的吸收（absorption ）。仔细的研究发现光不仅有吸收而且还有散射两种情况，前者是光能量被介质吸收后转化为热能，后者则是光被介质散射到四面八方。
演示1：光通过液体以后的变化，引入光与物质相互作用中的吸收和散射问题。发现
光束越深入物质，强度将越减弱
结论：
⑴ 光的能量被物质吸收——光的吸收现象
⑵ 光向各个方向散射 ——光的散射
6.1 光的吸收和散射
一、光的吸收
1. 朗伯定律
实验表明，当光沿X 方向均匀通过介质的
时候，设光的强度在经过厚度dx 的一层介质时强
度由I 减为I-dI 。在相当广阔的光强范围内，-dI
正比于I 和dx ，有
dI Idx α-= （1）
式中α是个与光强无关的比例系数，成为该物质的吸收系数。
为了求出光束穿过厚度为l 的介质后的强度 图一 光的吸收
改变，（1）改写为
dI dx I
α=- 并在0到l 区间对x 进行积分。得
0l I I e α-= (2) 在光强不太强的情况下，大量的实验证明这个定律相当精确。
激光出现后，由于人类掌握的光强增加了几个甚至十几个数量级——这时候就出现光与物质作用的非线性效应（非线性光学）。
在液体中吸收系数α与液体浓度C 的关系为
AC α= (3)
那么(2)式可以改写为
0ACl I I e -= (4)
公式(3)可以作为液体浓度测量的理论依据。
2. 一般吸收和选择吸收
在吸收的过程中，如果所有的波长的吸收都是一样的，我们称为普遍吸收，也可以称之为一般吸收。
a ）一般吸收
吸收很少，并且在某一给定的波段内几乎不变。
如：空气、无色玻璃和纯水都是在可见光范围内产生一般吸收。
不是所有的物质都是如此，对于广阔的电磁波了范围，一般吸收介质不可能存在。比如我们看一束白光通过一个滤光片，那么就会产生一些特殊的效果。如红色滤光片后变成红光，这种物质对某些波长吸收特别强烈的过程，我们称为选择吸收。
b) 选择吸收
特点表现为：吸收很多，并且随着波长的变化而剧烈的变化。
任何一种物质对光的吸收都是有这两种吸收组成。
c）吸收曲线的应用。（如光纤吸收曲线）
图二光纤的工作波长分段图
图二是光纤的吸收曲线，从图中可以看出吸收比较少的，而且应用最好是波长1550nm的窗口。这也是高锟的重要贡献。
图三大气窗口
一般将大气的衰减作用相对较轻、透射率较高、能量较易通过的电磁波段定义为大气窗口。只有位于大气窗口的波段才能被用于生成遥感图像。在VIS—IR 区段，常用的大气窗口有：0.3—1.3μm、1.5—1.8 μ m、2.0—2.6 μ m、3.0-4.2 μ m、4.3—5.0 μ m、8—14μ m。在微波区段，主要采用的大气窗口为8mm附近和频率
低于20GHz的波段。
3. 吸收光谱
产生连续光谱的光源所发出的光，通过有选择吸收的介质后，用分光计可以看出默写线段或某些波长的光被吸收。这就形成了吸收光谱。
a)实验装置
图4 观察吸收光谱的实验装置
b) 吸收光谱
当连续的白光通过吸收物质后再经过光谱仪器的分析，即可将不同波长的光被吸收的情况显示出来，形成“吸收光谱”。
c) 吸收光谱与发射光谱的关系
图五氢原子在可见光区域的发射光谱和吸收光谱
从图五中可以看出，吸收谱中的暗线和发射谱中明线意义对应，也就是说某种物质自身发射那些波长的光，它就强烈的吸收那些波长的光。
d) 吸收光谱的应用
我们知道不同的元素对应有不同的发射谱线，就如同条形码一样。很多的时
