11.3金属和11.4吸收.ppt
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前面,我们在前面,我们在没有传导电流和自由电荷没有传导电流和自由电荷的介质中,的介质中,根据麦氏方程组和电磁场的边界条件讨论了光在介根据麦氏方程组和电磁场的边界条件讨论了光在介质分界面上的反射和折射质分界面上的反射和折射11.3光在金属表面的反射和投射光在金属表面的反射和投射此处,我们讨论光在金属表面的反射和折射情况。
与前此处,我们讨论光在金属表面的反射和折射情况。
与前面的介质相比,金属最显著的特点是:
金属内部面的介质相比,金属最显著的特点是:
金属内部存在着存在着大量的自由电子大量的自由电子,在外界电场的作用下,金属中能够产,在外界电场的作用下,金属中能够产生生传导电流;传导电流;电导率很大。
电导率很大。
一般金属导体一般金属导体(/)在在10-17s左右,因此,当外界光左右,因此,当外界光波频率波频率1017Hz时,金属均可以看成良导体;时,金属均可以看成良导体;研究表明,当外界电磁波的频率满足研究表明,当外界电磁波的频率满足1017Hz时,时,金属中的自由电子只分布与金属表面,金属中的自由电子只分布与金属表面,体电荷密度体电荷密度=0=0,在金属表面形成在金属表面形成表层电流(表层电流(j=E);表层电流将使表层电流将使入射光波产生强烈的反射,是透射光波入射光波产生强烈的反射,是透射光波迅速耗散为电流的焦耳热迅速耗散为电流的焦耳热此处定义如下几个参量:
此处定义如下几个参量:
复折射率复折射率复相位速度复相位速度复介电常数复介电常数这里,这里,n是金属的折射率,等价于电介质折射率,决是金属的折射率,等价于电介质折射率,决定光波在金属中的传播速度;定光波在金属中的传播速度;是衰减系数,决定光是衰减系数,决定光波在金属中传播时振幅的衰减特性。
波在金属中传播时振幅的衰减特性。
复波矢复波矢这里,沿这里,沿x方向行进的平面波表示成方向行进的平面波表示成沿沿x方向行进方向行进的平面波的平面波表示金属中光波的振幅,表示金属中光波的振幅,随着光波进入金属中的随着光波进入金属中的深度深度x的增加,振幅按的增加,振幅按指数形式急剧衰减指数形式急剧衰减穿透深度:
当光的振幅下降到界面上的穿透深度:
当光的振幅下降到界面上的1/e时,光进时,光进入到金属中的深度入到金属中的深度银:
穿透深度为银:
穿透深度为2.73nm,铜说穿透深度为,铜说穿透深度为3nm。
因为存在大量自由电子,金属存在明显吸收,其中电因为存在大量自由电子,金属存在明显吸收,其中电磁波的衰减比倏逝波要快,所以一般是非透明的磁波的衰减比倏逝波要快,所以一般是非透明的11.411.4光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射前面几章讨论了光在均匀介质中传播时,因光的波前面几章讨论了光在均匀介质中传播时,因光的波动性所产生的一系列现象和规律。
实际上,由于光动性所产生的一系列现象和规律。
实际上,由于光在在传播过程中与介质的相互作用传播过程中与介质的相互作用,还会使光的特性,还会使光的特性发生某些变化。
发生某些变化。
例如:
因介质对光波的例如:
因介质对光波的吸收吸收,会使光强度减弱会使光强度减弱;不同波不同波长的光在介质中传播速度不同长的光在介质中传播速度不同,并按不同的折射角散开,并按不同的折射角散开,会发生光的会发生光的色散色散;光在介质中传播时光在介质中传播时,因为微小粒子的因为微小粒子的作用会产生作用会产生散射散射。
光的吸收光的吸收所谓光的吸收,就是指光波通过介质后,光强度减弱所谓光的吸收,就是指光波通过介质后,光强度减弱的现象。
的现象。
光吸收是介质的普遍性质,除了真空,没有一种介质光吸收是介质的普遍性质,除了真空,没有一种介质能对能对任何波长的光波都是完全透明的,没有吸收任何波长的光波都是完全透明的,没有吸收,只,只能是对某些波长范围内的光透明,对另一些范围的光能是对某些波长范围内的光透明,对另一些范围的光不透明。
不透明。
所以确切地说所以确切地说,石英对可见光吸收很少,而对石英对可见光吸收很少,而对(3.55.0)m的红外光有强烈的吸收。
的红外光有强烈的吸收。
光吸收的一般规律光吸收的一般规律光在均匀介质中传播,经过薄层光在均匀介质中传播,经过薄层dl后,由于介质的后,由于介质的吸收,光强从吸收,光强从I减少到减少到(I-dI)。
朗伯朗伯总结了大量的总结了大量的实验结果指出实验结果指出,dI/I应与吸收层厚度应与吸收层厚度dl成正比成正比,即有即有为吸收系数为吸收系数,负号表示光强减少。
负号表示光强减少。
它在数值上等于光因吸收而强度减它在数值上等于光因吸收而强度减弱到弱到1/e1/e时透过的物质厚度时透过的物质厚度ldxII0对于可见光,对于可见光,金属金属106cm-1,玻璃玻璃:
10-2cm-1,而一个大气压下而一个大气压下空气空气:
10-5cm-1。
I0是是l0处的光强,这个关系式就是著名的处的光强,这个关系式就是著名的朗伯定朗伯定律或吸收定律律或吸收定律。
实验证明,这个定律在线性范围内。
实验证明,这个定律在线性范围内是是相当精确的相当精确的,并且也符合金属介质的吸收规律。
并且也符合金属介质的吸收规律。
求解上面求解上面微分方程微分方程可得:
可得:
ldxII0大量实验证明,吸收系数大量实验证明,吸收系数是波长的函数。
因此,是波长的函数。
因此,物质对光的吸收具有波长选择性。
物质对光的吸收具有波长选择性。
根据根据随波长变化规律的不同,将吸收分为随波长变化规律的不同,将吸收分为一般性一般性吸收和吸收和选择性选择性吸收。
吸收。
一般性吸收一般性吸收:
在一定波长范围内:
在一定波长范围内,若吸收系数若吸收系数很很少,并且近似为常数。
少,并且近似为常数。
选择性吸收选择性吸收:
如果吸收较大:
如果吸收较大,且随波长有显著变化。
且随波长有显著变化。
当白光射到红玻璃上时,只有红光能够透过,我们当白光射到红玻璃上时,只有红光能够透过,我们看到它呈看到它呈红色红色。
如果红玻璃用绿光、蓝光和紫光照。
如果红玻璃用绿光、蓝光和紫光照射,因为强烈的吸收玻璃看起来将是射,因为强烈的吸收玻璃看起来将是黑色黑色。
例如,在可见光范围内,一般的光学玻璃吸收都较例如,在可见光范围内,一般的光学玻璃吸收都较小,且不随波长变化,小,且不随波长变化,属一般性属一般性吸收,而有色玻璃吸收,而有色玻璃则具有则具有选择性选择性吸收。
吸收。
普通光学材料在可见光区都是相当透明的,它们对各普通光学材料在可见光区都是相当透明的,它们对各种波长的种波长的可见光都吸收很少可见光都吸收很少。
但是在紫外和红外光区。
但是在紫外和红外光区,它们则表现出不同的选择性吸收,如表所示。
它们则表现出不同的选择性吸收,如表所示。
在制造光学仪器时在制造光学仪器时,必须考虑光学材料的吸收特性。
必须考虑光学材料的吸收特性。
例如,紫外光谱仪中的棱镜、透镜需用例如,紫外光谱仪中的棱镜、透镜需用石英石英制作;红制作;红外光谱仪中的棱镜、透镜则需用外光谱仪中的棱镜、透镜则需用萤石萤石等晶体制作;可等晶体制作;可见光中的元件可选用玻璃见光中的元件可选用玻璃光学材料光学材料波长范围波长范围/nm光学材料光学材料波长范围波长范围/nm冕牌玻璃冕牌玻璃3502000萤石萤石(GaF2)1259500火石玻璃火石玻璃3802500岩盐岩盐(NaCl)17514500石英玻璃石英玻璃1804000氯化钾氯化钾(KCl)18023000介质的吸收系数及随光波长的变化关系曲线称为该介介质的吸收系数及随光波长的变化关系曲线称为该介质的质的吸收光谱吸收光谱。
大量实验指出,物质的吸收线的位置与该物质的发射大量实验指出,物质的吸收线的位置与该物质的发射光谱的位置一致光谱的位置一致应用一:
利用物质的吸收光谱来分析物质中的元素成分应用一:
利用物质的吸收光谱来分析物质中的元素成分符号符号波长波长/nm吸收元素吸收元素符号符号波长波长/nm吸收元素吸收元素ABCD1D2D3E3759.4762.1636.8688.4656.282589.592588.995587.552526.954OOHNaNaHeFeE1FGGHK518.362486.133430.791430.774466.273396.849393.368MgHFeCaCaCaCa它们的波长及太阳大气中存在的相应吸收元素的关系如下:
它们的波长及太阳大气中存在的相应吸收元素的关系如下:
应用二:
通过对原子吸收光谱的定量和定性分析来发应用二:
通过对原子吸收光谱的定量和定性分析来发现新的元素并测得其含量。
现新的元素并测得其含量。
应用三:
利用固体、液体分子的红外吸收光谱,鉴别分应用三:
利用固体、液体分子的红外吸收光谱,鉴别分子的种类,测定分子的振动频率,分析分子的结构。
子的种类,测定分子的振动频率,分析分子的结构。
应用四:
研究大气的光学性质与应用四:
研究大气的光学性质与“窗口(对某种波段窗口(对某种波段无吸收)无吸收)”的关系的关系,有助于有助于红外导航、跟踪红外导航、跟踪等工作的进等工作的进行。
行。
光的色散光的色散光在物质中传播时,其折射率(传播速度)随光波频率光在物质中传播时,其折射率(传播速度)随光波频率(波长)而变的现象称为光的(波长)而变的现象称为光的色散色散。
观察色散现象的最简单方法是观察色散现象的最简单方法是利用棱镜的折射利用棱镜的折射。
折射率随着波长增加而减小的色散叫折射率随着波长增加而减小的色散叫正常色散正常色散,与,与物质的透明区(吸收很小)相对应。
其特点是物质的透明区(吸收很小)相对应。
其特点是折射率随着波长增加而增加的色散叫折射率随着波长增加而增加的色散叫反常色散反常色散,与,与物质的吸收区相对应。
物质的吸收区相对应。
波长愈短,折射率愈大;波长愈短,折射率愈大;波长愈短,折射率随波长的变化率愈大;波长愈短,折射率随波长的变化率愈大;波长一定时波长一定时,折射率愈大的材料折射率愈大的材料,其色散率也愈大。
其色散率也愈大。
光的散射光的散射光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向,向向四周散射的现象,四周散射的现象,叫光的散射叫光的散射。
散射和吸收散射和吸收:
由于光的散射是将光能散射到其它方:
由于光的散射是将光能散射到其它方向上,而光的吸收则是将光能转化为其它形式的能向上,而光的吸收则是将光能转化为其它形式的能量,所以从本质上说二者不同。
量,所以从本质上说二者不同。
但是在实际测量时,但是在实际测量时,很难区分开它们很难区分开它们对透射光强的对透射光强的影响。
因此,在实际工作上通常都将这两个因素的影响。
因此,在实际工作上通常都将这两个因素的影响考虑在一起影响考虑在一起。
根据散射光的波矢根据散射光的波矢K和波长的变化与否,将散射分和波长的变化与否,将散射分为为两大类两大类:
一类散射是散射一类散射是散射光波矢光波矢k变化,但波长不变化,也就变化,但波长不变化,也就是说波矢的模不变,而方向发生改变是说波矢的模不变,而方向发生改变(瑞利散射,米瑞利散射,米氏散射和分子散射氏散射和分子散射),另一类是散射另一类是散射光波矢光波矢k和波长均变化和波长均变化(喇曼散射,喇曼散射,布里渊散射布里渊散射等等)。
瑞利散射瑞利散射(波长远大于散射粒子的线度)(波长远大于散射粒子的线度)的的主要特点主要特点散射光强度与入射光波长的四次方散射光强度与入射光波长的四次方成反比成反比,即,即I(,)为相应于某一观察方向为相应于某一观察方向(与入射光方向成与入射光方向成角角)的散射光强度。
该式说明,的散射光强度。
该式说明,光波长愈短,其散射光波长愈短,其散射光强度愈大光强度愈大,由此可以说明许多自然现象。
,由此可以说明许多自然现象。
天空为什么呈现蓝色呢天空为什么呈现蓝色呢?
由瑞利散射定律可以看出在由瑞利散射定律可以看出在由大气散射的太阳光中,由大气散射的太阳光中,短波长光占优势短波长光占优势。
红光波长红光波长(720nm)为紫光波长为紫光波长(400nm)的的1.8倍倍,因此紫光散射因此紫光散射强度约为红光的强度约为红光的(1.8)410倍倍。
太阳散射光在大气层内层太阳散射光在大气层内层,蓝色的成分比红色多蓝色的成分比红色多,使天使天空呈蔚蓝色空呈蔚蓝色。
为何正午的太阳基本上呈为何正午的太阳基本上呈白色白色,而旭日和夕阳却呈而旭日和夕阳却呈红色红色?
正午的太阳正午的太阳地球地球大气层大气层散射散射正午太阳直射正午太阳直射,穿过大气层穿过大气层厚度最小厚度最小,阳光中被散射掉阳光中被散射掉的短波成分不太多的短波成分不太多,因此基本上呈因此基本上呈白色或略带黄橙色白色或略带黄橙色。
早晚的阳光斜射早晚的阳光斜射,穿过大气层的厚度比正午时穿过大气层的厚度比正午时厚得多厚得多,大气散射掉的短波成分大气散射掉的短波成分,透过长波成分,所以透过长波成分,所以旭日和旭日和夕阳呈红色夕阳呈红色。
红光透过散射物的穿透力比蓝光强,所以在拍摄薄雾红光透过散射物的穿透力比蓝光强,所以在拍摄薄雾景色时,可在照相机物镜前加上景色时,可在照相机物镜前加上红色滤光片红色滤光片以获得更以获得更清晰的照片。
清晰的照片。
红外线穿透力红外线穿透力比可见光强,常被用于远距离照相或比可见光强,常被用于远距离照相或遥感技术。
遥感技术。
散射光强度随观察方向变化。
自然光入射时,散散射光强度随观察方向变化。
自然光入射时,散射光强射光强I()与与(1+cos2)成正比成正比。
入射光方向入射光方向观察方向观察方向散射光是偏振光(完全偏振光或部分偏振光)散射光是偏振光(完全偏振光或部分偏振光),该,该偏振光的偏振度与观察方向有关。
偏振光的偏振度与观察方向有关。
瑞利散射光的光强度角分布和偏振特性起因于散射瑞利散射光的光强度角分布和偏振特性起因于散射光是光是横电磁波。
横电磁波。
图中的图中的入射光可分解入射光可分解为沿为沿y方向和方向和z方向的两个光方向的两个光振动,其振幅相等,振动,其振幅相等,AyAzA0。
自然光沿自然光沿x方向入射到介质的带电微粒方向入射到介质的带电微粒e上,上,使其使其作受迫振动作受迫振动。
xzyPe假设考察位于假设考察位于xey面内的面内的P点,散射光方向点,散射光方向eP与入与入射光方向成射光方向成角,则其两个光振动分量的振幅分别为角,则其两个光振动分量的振幅分别为AzAzA0和和AyAycosA0cos。
xyPAyAyxzyPe由于散射光两个振动分量的大小与散射方向有关由于散射光两个振动分量的大小与散射方向有关,所所以散射光的偏振态随散射方向不同而异以散射光的偏振态随散射方向不同而异。
沿着入射光方向或逆着入射光方向,散射光为沿着入射光方向或逆着入射光方向,散射光为自然光自然光;在垂直入射光方向的在垂直入射光方向的y轴和轴和z轴上,散射光为轴上,散射光为线偏线偏振光振光;其余方向上的散射光,均为;其余方向上的散射光,均为部分偏振光部分偏振光。
xzyPe当散射粒子的当散射粒子的尺寸接近或大于波长尺寸接近或大于波长时的散射称为米时的散射称为米氏散射氏散射米氏散射的主要特点是:
米氏散射的主要特点是:
散射光强几乎与波长无关散射光强几乎与波长无关云雾或者浪花呈现白色云雾或者浪花呈现白色。
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- 11.3 金属 11.4 吸收
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