光的吸收與散射：光線與物質(zhì)的相互作用

在廣袤無垠的完全真空中，光線前行時(shí)，能量雖會(huì)在傳播過程中逐漸分散開來，但總量始終恒定，不會(huì)有絲毫損耗。然而，一旦光線踏入物質(zhì)媒介的領(lǐng)域，其能量往往會(huì)因吸收和散射效應(yīng)而遭受損失。

吸收現(xiàn)象的產(chǎn)生，源于光的能量轉(zhuǎn)化為其他形式。最常見的是轉(zhuǎn)化為熱能，讓物體溫度升高；

也能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N波長的輻射，比如熒光，黑暗中幽幽發(fā)光的熒光物質(zhì)便是如此；

還能轉(zhuǎn)化為電能，光電池就是利用這一原理，將光能轉(zhuǎn)化為可供使用的電能；

植物的光合作用則是將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，為地球上的生命活動(dòng)奠定基礎(chǔ)。

當(dāng)平行光束穿過均勻媒質(zhì)時(shí)，特定波長光束的光強(qiáng)損失遵循指數(shù)衰減曲線。其中，代表光束的初始光強(qiáng)，是光束在媒質(zhì)中傳播距離后的強(qiáng)度，是通常與波長相關(guān)的線吸收率。對于高度透明的材料，值極小，除非傳播距離極長，否則與的值相差不大。而在許多材料里，對所有波長而言，值都很大，甚至短距離內(nèi)光強(qiáng)就趨近于零，這類材料（如金屬），若不是制成薄膜，通常是不透明的。還有些材料，對可見光譜中不同波長的吸收系數(shù)差異顯著，光線通過時(shí)，光譜功率分布改變，這便是濾色片的工作基礎(chǔ)。

在特定條件下，媒質(zhì)的吸收率甚至能變?yōu)樨?fù)值，即光線穿過媒質(zhì)時(shí)強(qiáng)度反而增加，這正是激光器的核心原理。激光器能產(chǎn)生光強(qiáng)極高的光束，而讓光束增強(qiáng)所需的額外能量，必須由合適的能源供給媒質(zhì)。

散射現(xiàn)象則發(fā)生在不均勻媒質(zhì)中，它是由于光線在媒質(zhì)內(nèi)眾多雜亂分布的界面上多次反射和折射導(dǎo)致的。天空中的云和霧，就是空氣中懸浮水滴引發(fā)散射的典型例子。光線進(jìn)入散射媒質(zhì)后，大部分會(huì)被散射回來，吸收損失較小，像由致密且近乎透明纖維構(gòu)成的白紙、白布表面就是如此。但當(dāng)光線遇到像黑煙中炭粒子這樣強(qiáng)烈吸收光的散射表面時(shí)，僅有極少部分光能夠散射出來，所以這類媒質(zhì)看起來是黑色的。要是散射粒子在可見光區(qū)域有選擇地吸收部分波長的光，媒質(zhì)就會(huì)呈現(xiàn)出特定顏色，比如油漆，白光進(jìn)入漆層再反射出來的過程中，懸浮在透明漆里的色素粒子吸收了白光中的某些波長，從而讓油漆顯色。此外，由于衍射光的作用，散射也可能具有波長選擇性，使媒質(zhì)呈現(xiàn)色彩。從物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)層面來看，所有媒質(zhì)在一定程度上都會(huì)對光線產(chǎn)生散射作用。極小的粒子，比如分子，對短波光線的散射更強(qiáng)，這也解釋了晴朗天空為何呈現(xiàn)藍(lán)色。