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当前位置:首页 > 临时分类 > 第七章--食品的光学性质
1第七章食品的光学性质物体的各种颜色,必须在光线的照射下,才能显示出来。这是因为物体所呈现的颜色,取决于物体表面对光线中各种色光的吸收和反射性能。呈现红色的物体,是由于它只反射红光,吸收了红光之外的其余色光。白色的纸之所以呈现白光,是由于它将照射在它表面上的光的全部成分完全反射出来。如果物体表面将光线中各色光等量的吸收或全部吸收,物体的表现将呈现出灰色或黑色。27.1光的吸收、反射、折射、散射、衍射和色散光通过介质时,一部分在界面上被反射,一部分被介质吸收,另一部分被介质散射,余下部分按一定折射方向继续前进(这部分也可以叫做透射光)。因此,通过介质透出的光强度必然比入射光弱。同时,由于不同波长的光在介质中的传播速度不同,因而同一介质对不同波长的光,有不同的折射率,所以一束白光或复合光在折射时,只要入射角不为零,则不同波长的光,将按不同的折射角而散开,称之为色散。由此可见,光的吸收、反射、折射、散射、衍射和色散是光在介质中传播时所发生的普遍现象。37.1.1光的吸收由于光是一种能量流,在光通过材料传播时,会引起材料的价电子跃迁或使原子振动,从而使光能的一部分变成热能,导致光能的衰减,这种现象称为光的吸收。被吸收的光强与吸收体的厚度成正比。物质对光的吸收有选择性。同一介质对不同波长(不同颜色)的光的吸收程度不等。无色透明物质,例如玻璃,对可见光(波长在400一800nm之间)吸收很少。通常lcm厚的玻璃对可见光只吸收约1%,但玻璃对紫外线吸收较为显著。石英对紫外线吸收不多,而对红外线吸收性较强。一般有色透明体,例如红色玻璃对红、橙色光吸收较弱(透过较多),而对其他色光吸收较强。诸如这类现象称为透明介质对光的选择透射。不透明物质对光也有选择性,相对来说也就是选择反射。白色物体对各种波长的可见光的吸收程度很小,而反射程度很大。有色物体对可见光的选择反射性显著。例如黄色物体对黄色光反射最强,对橙色和绿色光反射很弱,而对其他红、蓝等色光吸收很强;蓝色物体对蓝色反射最强,对绿色和靛色光反射很弱,对其他黄、紫、红等色光吸收很强。因此,黄色颜料与蓝色颜料混合而成绿色颜料,即为剩余反射现象。4介质吸收光能,引起介质中电子的受迫震动,进而转化为其他形式的能。设强度为I的某种光,通过厚度为dx的某种均匀介质层,因被介质吸收部分光能量而使强度减少dI,如图7一1所示,朗伯(Lambert),指出()与吸收层厚度dx成正比,即有:(7-1)式中aλ与介质性质和光波的波长有关,称为该介质对该种光的吸收系数。当介质总厚度为x,原入射光强度为I0,通过整个介质以后的光强度为I,将上式积分,得亦即:或(7-2)5此即为朗伯定律的数学表达式。对于选择吸收的物质来说,在吸收波段内,aλ可以很大,aλ越大,表示吸收越强。当介质总厚度x=1/aλ时,由式(7-2)得也就是说,厚度为aλ的介质层,可使光强减弱到原有光强的1/2.72。实验证明,稀溶液对光的吸收系数aλ与其浓度c成正比,即有aλ=kiC的关系,式中ki为决定于吸收物质的分子特性,而与浓度无关的另一常数。由此,式(7一2)变为根据光在溶液中的被吸收的程度,可以决定溶液的浓度,这就是吸收光谱分析的原理。此式称为比尔定律。(7-3)(7-4)67.1.2光的反射光的反射:光从一种介质射向另一种介质的交界面时,一部分光返回原来介质中,使光的传播方向发生了改变,这种现象称为光的反射。光的反射定律:反射光线与入射光线、法线在同一平面上;反射光线和入射光线分居在法线的两侧;反射角等于入射角可归纳为:“三线共面,两线分居,两角相等”。7当光从一种介质进入另一种介质时,一部分被反射,另一部分穿入。反射的多少视两种介质折射率的比例而定,此外,还依赖于入射角度,这些关系可由菲涅耳公式阐明:(7-5)(7-6)式中,θ为入射角,为折射角;下标S表示垂直于入射面的电场分量;P表示在入射面内的电场分量;Rs,Rp为反射光的电场分量;Es,Ep为入射光的电场分量,θ与的关系由下式决定:(7-7)式中,n——两介质的折射率n1和n2之比。87.1.3光的折射光的折射:当光由一种介质斜射到另一种介质时,其传播方向发生改变这种现象叫光的折射。光发生折射后,其频率不变,但波长和波速发生改变。光折射时,折射光线,入射光线,法线在同一平面内,折射光线和入射光线分别位于法线的两侧.折射角随入射角的改变而改变,但两者不等。97.1.4光的散射定义:一束光通过介质时其中一部分光偏离主要的传播方向,这种现象称为光散射。现象的本质是光波电磁场与介质分子相互作用的结果。光的散射是原子或分子体系从入射光波中获得能量后,改变传播方向及相位,甚至改变频率的再辐射过程。当光波射人介质时,在光波电场的作用下,分子或原子获得能量产生诱导极化,并以一定的频率作强迫振动,形成振动电偶极子(偶极子是指相距很近的符号相反的一对电荷)。这些振动的偶极子就成为二次波源,向各个方向发射出电磁波。在纯净的均匀介质中,这些次波相互干涉的结果,使光线只能在折射方向上传播,而在其他方向上则相互抵消,所以没有散射光出现。但当均匀介质中掺入进行着布朗运动的微粒后,或者体系由于热运动而产生局部的密度涨落或浓度涨落时,就会破坏次波的相干性,而在其他方向上出现放射光。10光波投到一般物体表面时,由于物体的线度远大于光波的波长,因而产生漫射(又称漫反射)现象。当光波投到细小质点上的时候,根据惠更斯原理,从质点表面上各点激发次级子波,进而形成同样波长的光波向各方向散开,如图7一2(a)所示。这种现象称为光的散射现象。散射是指由传播介质的不均匀性引起的光线向四周射去的现象。图7-211散射物质对入射光没有经过共振吸收作用,所以此种现象不是共振辐射,而是直接从被照射物体的微粒表面“反射”而来。事实上,光的散射与反射和衍射有着密切的关系。例如光波投入混浊介质(含有许多悬浮微粒的透明物质)时,由于介质中有许多线度大于波长的微粒呈无规则的分布,则有部分光波被散射,散射光波将绕过微粒两边,向各方发散,类似于单径衍射现象。然而,混浊介质中,由于悬浮微粒的存在,破坏了介质的光学均匀性(存在微小区域有密度起伏现象)。因此,虽有些类似于衍射现象,而没有干涉现象的伴随,故此呈现为散射现象。这种光的散射现象称为廷德尔(Tyndll)散射。如图7一2(b)所示,在一杯清水中加入几滴豆浆,成为混浊透明介质,光沿X轴方向通过时,在Y轴方向可以看到杯中有光亮散发出来,这就是属于廷德尔散射的一个实例。12又如某些从表面看来是均匀纯净的介质,当有光波通过时,也会产生散射现象,只是它的散射光强度比不上混浊介质的散射光强。这种散射现象是由线度小于光波长的介质分子所产生。称为分子散射,又称瑞利散射。例如大气中的空气分子,对太阳光中的蓝色光波散射特别显著,所以呈现蔚蓝色天空。根据光的电磁理论,次波振幅A与其波动频率的平方成正比,次波光强I又与振幅A的平方成正比,同时频率与波长λ成反比,故散射光强度:(7-8)可见散射光强度与波长的四次方成反比,称为瑞利定律。13由瑞利定律可知,白光中的短波成分的散射效应较为显著,波长越大散射越不显著。所以空气分子对蓝色光的散射特别显著,对太阳光的散射呈现蔚蓝色。质点足够微小的烟雾,在白光照耀下,往往呈现淡蓝色,所谓“一缕蓝烟”,也是蓝色光散射的道理。早、晚太阳偏东、西方,太阳光线通过大气层的厚度比中午阳光通过大气层厚度要大得多,如右图所示,根据瑞利定律,早、晚太阳光中的短波成分被空气分子的散射较多,因而橙红色光透射相对较为显著,所以早、晚天空多现橙红色光;空中如有云彩,则将出现红霞。14光波通过介质时,由于介质的吸收作用,足使透射光强减弱,介质的散射,也足以使透射光强度进一步减弱。设光波通过厚度为dx的薄层介质时,因介质的散射作用而使入射光强度I减小一个微量dI,则此光强的相对减少量与光波通过该介质的厚度dx成正比,即有式中,δ—比例系数,称为该介质对该波长光波的散射系数。将上式积分,得:(7-9)式中,1o—入射于介质之前的光强度;I—通过厚度为x的介质,除去被散射以外(不考虑纯吸收)的透过光强度。如果结合前面讲的光的吸收,一般测量所得光的“吸收系数”应包括纯吸收系数α和散射系数δ两个部分。因此,实际上,入射光强1o通过厚度为x的介质以后,透出光强度I应为(7-10)以上所述的瑞利散射,它的散射光波长与入射光的波长相同。157.1.5光的衍射光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象叫光的衍射。衍射又称为绕射,光线照射到物体边沿后通过散射继续在空间发射的现象。光衍射的本质:光的衍射与微粒的刚性反弹没有关系,在这里我们要用到的是光的波动性而不是光的粒子性。道理很容易理解:由于光是波动传播的,它走的路线自然就是如正弦函数那样的曲线。只是在大的尺度下我们分辨不出而以为光是沿直线传播的罢了。光的曲线走向就是光的衍射,它给了我们光偏离了运动方向的错觉。16衍射屏观察屏不但光线拐弯,而且在屏上出现明暗相间的条纹。衍射屏观察屏透过手指缝看日光灯,也能看到衍射条纹。光的衍射17平行单色光照到一圆孔上,在孔板后不同处的面上观察光的不同特点18197.1.6光的色散光波都有一定的频率,光的颜色是由光波的频率决定的,在可见光区域,红光频率最小,紫光的频率最大,各种频率的光在真空中传播的速度都相同,等于.但是不同频率的单色光,在介质中传播时由于受到介质的作用,传播速度都比在真空中的速度小,并且速度的大小互不相同.红光速度大,紫光的传播速度小,因此介质对红光的折射率小,对紫光的折率大.当不同色光以相同的入射角射到三棱镜上,红光发生的偏折最少,它在光谱中处在靠近顶角的一端.紫光的频率大,在介质中的折射率大,在光谱中也就排列在最靠近棱镜底边的一端,出现彩色光带,称为光的色散现象。为了表征介质折射率因波长不同而变化的程度,引入色散率这个概念,并且定义:介质色散率的量值等于介质折射率对波长的变化率。(7-11)20不同波长的光会有不同的折射角——色散的原因217.2食品颜色的表征7.2.1颜色的视觉(颜色辨认)l颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。因而物体的颜色不仅取决于物体本身,还与光源、周围环境的颜色,以及观察者的视觉系统有关系。一般来说可见光谱上的各种颜色随光强度的增加而有所变化(向红色或蓝色变化)。这种颜色随光强度而变化的现象﹐叫做贝楚德-朴尔克效应。但在光谱上黄(527nm)﹑绿(503nm)﹑蓝(478nm)三点基本上不随光强而变。人眼对波长变化引起的颜色变化的辨认能力(颜色辨认的灵敏阈)﹐在光谱中的不同位置是不同的。人眼刚能辨认的颜色变化就称为颜色辨认的灵敏阈。最灵敏处为480nm(青)及600nm(橙黄)附近﹔最不灵敏处为540nm(绿)及光谱两端。灵敏处只要波长改变1nm﹐人眼就能感受到颜色的变化﹐而多数要改变1~~2nm才行。22颜色可分为彩色和非彩色。非彩色指白色﹑黑色和各种不同深浅的灰色。彩色就是指黑白系列以外的各种颜色。对于理想的完全反射的物体﹐其反射率为100%﹐称它为纯白﹔而对于理想的完全吸收的物体﹐其反射率为零﹐称它为纯黑。白色﹑黑色﹑和灰色物体对光谱各波段的反射和吸收是没有选择性的﹐称它们为中性色。对光来说﹐非彩色的黑白变化相当于白光的亮度变化﹐即当白光的亮度非常高时﹐人眼就感觉到是白色的﹔当光的亮度很低时﹐就感觉到发暗或发灰﹐无光时是黑色的。237.2.2颜色的基本物理量⑴色彩三要素色彩的三要素是明度、色相(即色调)、饱和度,是评价食品颜色的主要依据。色调与饱和度合称为色度(Chromaticity),它既说明彩色光的颜色类别,又说明颜色的深浅程度。色度再加上亮度,就能对颜色作完整的说明。①明度亮度或明度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉,是指色彩明暗深浅的程度,也可称为色阶。每一种颜色在不同强弱的照明光线下都会产生明暗差别。同一物体由于照射在它表面的光的能量不同,反射出的能量也不相同,因此就产生了同一颜色的物体在不同能量光线的照射下呈现出明暗的差别。24②色调(也称色相)就是
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