十六、光的吸取、色散和散射(§14-16)

    1. 光的吸取

    (1)  任何一种物质都不会在整个电磁波波段只表现为普遍吸取。如果某物质在可见光范围内表现为普遍吸取,那么它往往在红外波段或紫外波段表现为选择吸取。

    a)  普遍吸取的主要特点是:物质对光的吸取很少,并且在给定波段内几乎保持不变;与光的波长无关,光通过时只改变强度而不改变颜色。

    b)  选择吸取的主要特点是:物质对光的吸取强烈;随光的波长的改变而急剧变化。

    c)  地球的大气层对可见光和波长在300 nm以上的紫外光表现为普遍吸取,可以说是透明的,透明的波段称为“大气窗口”,而对红外光的某些波段和波长小于300 nm的紫外光却表现为选择吸取。红外波段的主要吸取气体是水蒸气,波长小于300 nm的紫外光的主要吸取气体是臭氧。研究大气的状况与大气窗口的关系,对于红外遥感、红外导航和红外跟踪等工作有重要意义;大气层中“臭氧空洞”的出现严重损坏了人类的生存环境,密切关注大气中臭氧量的变化,严格限制温室气体的排放,是当前乃至今后相当长的时间内,环境保护的重要课题之一。

    (2)  朗伯定律是描述光吸取现象的通用规律,这个定律可以表示为

                             .

吸取系数a一般是波长的函数。在普遍吸取情况下,a值很小,并近似为常量;在选择吸取情况下,a值很大,并对波长有强烈的依赖性。

    对于某些溶液,光的吸取可以用比尔定律

                            

来描述。不过比尔定律只对浓度不大、溶剂分子不明显影响溶质分子对光的吸取的溶液才成立。

    (3)  具有连续谱的光通过有选择吸取的物质后,在其连续光谱的背景上会显示出暗线或暗带,表示某些波长的光或某些波段的光被吸取,这种光谱称为吸取光谱。

    研究吸取光谱的意义:

    a)  原子吸取光谱对原子含量具有很高的灵敏度,所以在定量分析中广泛应用;

    b)  固体和液体分子的红外吸取光谱是鉴别分子的种类,测定分子的振动频率,分析分子的结构的有力手段。

    2. 光的色散

    光在物质中的传播速度u随波长l 而改变的现象,称为色散折射率随波长的变化曲线,称为色散曲线。

    (1)  任何物质的全部色散图都是由正常色散区域和反常色散区域构成的。同一种物质,在普遍吸取波段内表现出正常色散,而在选择吸取波段附近和选择吸取波段内表现出反常色散。这是物质色散的基本状况。

    (2)  折射率和色散率都随波长的增加而减小,是正常色散的基本特征。正常色散的规律可以用科希公式

                         

准确地加以描述。

    (3)  反常色散不能用科希公式描述,在选择吸取波段附近折射率随波长的增加而减小得比科希公式所预示的要快得多,在选择吸取波段内折射率随波长的增加而增大。

    3. 光的散射

    进入物质的光偏离入射方向而向四面八方散开的现象,称为光的散射,向四面八方散开的光,就是散射光。

    (1)  引起光散射的原因是物质中存在的不均匀团块。

    a)  颗粒线度比光波波长大的不均匀团块所引起的光散射,散射光强与波长的关系不明显。云是由水滴组成的,水滴的线度远大于可见光的波长,云对太阳光的散射与波长关系不大,散射光呈白色,所以晴空的云是白色的。

    b)  颗粒线度比光波波长小的不均匀团块所引起的光散射,散射光强与波长的四次方成反比,即

                              ,

这一规律称为瑞利散射定律,这类散射称为瑞利散射。

    大气对阳光的散射属于瑞利散射,太阳光中的短波成分更多地被散射,看晴空,看到的是散射光的颜色,自然呈蔚蓝色。看旭日,看夕阳,看到的是透射光的颜色,这时阳光通过较厚的大气层,太阳光中的短波成分更多地被散射,透射光自然呈红色。

    (2)  引起瑞利散射的不均匀团块可分为两类:

    a)  乳浊液中的固体微粒、大气中的烟、雾或灰尘等,由这类不均匀团块引起的散射,称为悬浮质点散射。

    b)  在纯净的液体或气体中由于分子热运动造成的密度的局部涨落,由这种因素引起的散射,称为分子散射。

    (3)  在散射光中出现与入射光频率不同的散射光,这种散射称为拉曼散射。拉曼散射光谱的主要特征:

    a)  在入射光谱线的两侧对称地分布着红伴线和紫伴线;

    b)  角频率差与入射光的角频率无关,而与散射物质的红外吸取角频率相对应,表征了散射物质的分子振动频率。

    所以说,拉曼散射为研究分子结构、分子的对称性和分子内部的作用力等提供了重要的分析手段,已成为分子光谱学中红外吸取方法的重要补充。

       
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