光的吸收与散射：光线与物质的相互作用

在广袤无垠的完全真空中，光线前行时，能量虽会在传播过程中逐渐分散开来，但总量始终恒定，不会有丝毫损耗。然而，一旦光线踏入物质媒介的领域，其能量往往会因吸收和散射效应而遭受损失。

吸收现象的产生，源于光的能量转化为其他形式。最常见的是转化为热能，让物体温度升高；

也能转变为另一种波长的辐射，比如荧光，黑暗中幽幽发光的荧光物质便是如此；

还能转化为电能，光电池就是利用这一原理，将光能转化为可供使用的电能；

植物的光合作用则是将光能转化为化学能，为地球上的生命活动奠定基础。

当平行光束穿过均匀媒质时，特定波长光束的光强损失遵循指数衰减曲线。其中，代表光束的初始光强，是光束在媒质中传播距离后的强度，是通常与波长相关的线吸收率。对于高度透明的材料，值极小，除非传播距离极长，否则与的值相差不大。而在许多材料里，对所有波长而言，值都很大，甚至短距离内光强就趋近于零，这类材料（如金属），若不是制成薄膜，通常是不透明的。还有些材料，对可见光谱中不同波长的吸收系数差异显著，光线通过时，光谱功率分布改变，这便是滤色片的工作基础。

在特定条件下，媒质的吸收率甚至能变为负值，即光线穿过媒质时强度反而增加，这正是激光器的核心原理。激光器能产生光强极高的光束，而让光束增强所需的额外能量，必须由合适的能源供给媒质。

散射现象则发生在不均匀媒质中，它是由于光线在媒质内众多杂乱分布的界面上多次反射和折射导致的。天空中的云和雾，就是空气中悬浮水滴引发散射的典型例子。光线进入散射媒质后，大部分会被散射回来，吸收损失较小，像由致密且近乎透明纤维构成的白纸、白布表面就是如此。但当光线遇到像黑烟中炭粒子这样强烈吸收光的散射表面时，仅有极少部分光能够散射出来，所以这类媒质看起来是黑色的。要是散射粒子在可见光区域有选择地吸收部分波长的光，媒质就会呈现出特定颜色，比如油漆，白光进入漆层再反射出来的过程中，悬浮在透明漆里的色素粒子吸收了白光中的某些波长，从而让油漆显色。此外，由于衍射光的作用，散射也可能具有波长选择性，使媒质呈现色彩。从物质分子结构层面来看，所有媒质在一定程度上都会对光线产生散射作用。极小的粒子，比如分子，对短波光线的散射更强，这也解释了晴朗天空为何呈现蓝色。