光的散射

光的散射

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光的散射(scattering of light)是指光通過不均勻介質時一部分光偏離原方向傳播的現象。偏離原方向的光稱為散射光。散射光頻率不發生改變的有丁鐸爾散射(丁達爾效應)、分子散射;頻率發生改變的有拉曼散射、布里淵散射和康普頓散射等。丁達爾散射首先由J.丁達爾研究，是由均勻介質中 的懸浮粒子(如空氣中的煙霧、塵埃)以及浮濁液、膠體等引起的散射。真溶液不產生丁達爾散射，化學中常根據有無丁達爾散射來區別膠體和真溶液。分子散射是由分子熱運動所造成的密度漲落引起的散射。頻率發生改變的散射與散射物質的微觀結構有關。

目錄

基本信息

中文名稱； 光的散射

外文名稱； scattering of light

特徵； 一部分光偏離原方向傳播的現象

作用； 通過不均勻介質光的強度增減

瑞利散射定律

散射光的頻率與入射光相同，而其強度與頻率f成正比的散射，稱瑞利散射定律，由瑞利於1871年提出。此定律成立的條件是散射微粒的線度小于波長。若入射光為自然光，不同方向散射光的強度正比於1+cosθ，θ為散射光與入射光間的夾角，稱散射角。θ=0或π時散射光仍為自然光;θ=π/2時散射光為線偏振光;在其他方向上則為部分偏振光。根據瑞利散射定律可解釋天空的蔚藍色和夕陽的橙紅色。

當散射微粒的線度大于波長時，瑞利散射定律不再成立，散射光強度與微粒的大小和形狀有複雜的關係。G.米和P.德拜分別於1908年和1909年以球形粒子為模型詳細計算3對電磁波的散射。米氏散射理論表明，當球形粒子的半徑a<0.3λ/-2π時散射光強遵守瑞利定律，a較大時散射光強與頻率的關係不再明顯。用白光照射由大顆粒組成的物質時(如天空的雲層等)，散射光仍為白色。氣體液化時，在臨界狀態附近由密度漲落引起的不均勻區域的線度比頻率要大，所產生的強烈散射使原來透明的物質變混濁，稱為臨界乳光。

拉曼散射

入射光與介質的分子運動間相互作用而引起的頻率發生改變的散射。1928年C.拉曼在液體和氣體中觀察到散射光頻率發生改變的現象，稱拉曼效應或拉曼散射。

拉曼散射遵守如下規律:散射光中在原始入射譜線(頻率為ω0)兩側對稱地伴有頻率為ω0±ωi(i=1,2,3,…)的一組譜線，低頻一側的譜線稱紅伴線或斯托克斯線，高頻一側的譜線稱紫伴線或反斯托克斯線，統稱拉曼譜線;頻率差ωi與入射光頻率ω0無關，僅由散射物質的性質決定。

每種物質都有自己特有的拉曼譜線，常與物質的紅外吸收譜相吻合。在經典理論的解釋中，介質分子以固有頻率ωi振動，與頻率為ω0的入射光耦合後產生ω0、ω0-ωi和ω0+ωi三種頻率的振動，頻率為ω0的振動輻射瑞利散射光，後兩種頻率對應斯托克斯線和反斯托克斯線。

拉曼散射的詮釋需用量子力學，不僅可解釋散射光的頻移，還能解決諸如強度和偏振等問題。

按量子力學，晶體中原子的固有振動能量是量子化的，所有原子振動形成的格波也是量子化的，稱為聲子。拉曼散射和布里淵散射都是入射光子與聲子的非彈性碰撞結果。晶格振動分頻率較高的光學支和頻率較低的聲學支，前者參與的散射是拉曼散射，後者參與的散射是布里淵散射。固體中的各種缺陷、雜質等只要能引起極化率變化的元激發均能產生光的散射過程，稱廣義的拉曼散射。按習慣頻移波數在50-1,000/厘米間為拉曼散射，在0.1-2/厘米間是布里淵散射。

米氏散射

米氏散射(Mie scattering)

I(f) scattering∝I(f)incident*f

米氏發表了任何尺寸均勻球形粒子散射問題的嚴格解，具有極大的實用價值，可以研究霧、雲、日冕、膠體和金屬懸浮液的散射等。

當大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當時發生的散射稱為米氏散射。

這種散射主要由大氣中的微粒，如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起。米氏散射的輻射強度與頻率的二次方成正比，散射在光線向前的方向比向後的方向更強，方向性比較明顯。如雲霧的粒子大小與紅光(393.96THz,0.7615um)的波長接近，所以雲霧對紅光的輻射主要是米氏散射。是故，多雲潮濕的天氣對米氏散射的影響較大

應用

拉曼散射和布里淵散射為研究分子結構或晶體結構提供了重要手段。藉助於拉曼散射可快速定出分子振動的固有頻率，並可決定分子結構的對稱性、分子內部的力等。激光問世以來，關於激光的拉曼散射的研究更得到迅速發展。強激光引起的非線性效應導致了新的拉曼散射現象，如在強激光作用下產生的受激拉曼散射，可獲得高強度的多個新頻率的相干輻射，用於大氣污染的測量(見拉曼光譜學、受激光散射)。

散射與通信技術關係也很密切，如利用對流層、電離層以及流星余跡的散射可對上百乃至幾百公里距離的定點進行微波或超短波通信，是跨越不能設中繼站的地段進行通信的有力措施。此外，微波特別是毫米波穿越雨雲和雨幕時，水滴乃至分子的散射與吸收所引起的衰減是不能忽視的。

對流層中隨時存在着尺度不同(約10~100m)的湍流區。湍流區內與周圍介質的折射率有10-6數量級的差別。這些湍流區如同浸在均勻大氣中的介質塊，在投射被照射下，其極化電流的輻射場即是散射場，團塊極化電流的相位沿着投射波的傳播方向逐漸落後。類似行波天線的原理，其前向散射強度遠大於背向散射。利用這種前向散射可以進行遠距離通信。有效的散射區是收、發天線主波瓣端部相交的區域，見圖。由於團塊的運動、生滅和分布都是隨機的，因而接收信號的幅度和相位也都是隨機起伏的。由於團塊內外折射指數相差甚微，必須使用較高的頻率(常用微波)和相當大的發射功率，才能引起可觀的極化電流。收、發天線也必須有較高的增益。

在電離層中也經常存在着電子濃度與周圍有差異的團塊。由於頻率越高等離子體的折射指數越接近於真空，所以利用電離層的不均勻性進行散射通信時只能用米波，而且信號頻帶受到限制。

太陽系大量微粒和流星以12~-72km/s的相對速度與地球相遇時，大多數情形因灼熱而氣化，飛出的原子與大氣分子碰撞而引起電離，選就是流星的電離余跡，它是細長的等離子體柱。肉眼能觀察到高度約100km的流星，其餘跡上每米長有1014個以上的自由電子，能在1秒乃至幾分鐘時間內散射米波，在高空風作用下先變形而後散失。估計每一晝夜約有108個這種流星進入大氣，所以這種電離余跡是經常存在的，只是要在發現余跡出現後立即進行斷續通信。其散射的方向性較強，與電離層不均性散射相比，同樣的發射功率下，通信容量增大至10倍或10倍以上。

由於衛星通信的使用，散射通信的必要性已很小，但衛星數量加多必終致發生信道擁擠;空間武器的發展使通信衛星在戰爭中難免被破壞，散射通信或將再度受重視。

對衛星通信和直接廣播影響最明顯的是散射衰減。水珠、雪片乃至大氣分子在電磁波照射下，其極化電流的輻射把照射波的能流轉化為散射能流和質點的內能，因而使照射波受到衰減。在厘米波段，每一水滴如同一個電偶極子。雨滴散射的散射衰減隨頻率提高而加大。在毫米波段則進入散射的諧振區。散射衰減隨頻率增大較快，例如每小時12.5mm的降水中，每公里的衰減分貝數，f=10GHz(λ=3cm)時約為0.285，f=30GHz(λ=1cm)時約為2.73，f=5GHz(λ=6mm)時約為4.72，而f=10GHz(λ=3mm)時則約為6.72。水蒸汽和氧分子對於毫米波的某些頻率也有強烈的衰減:水汽對於f=22.2GHz(λ=1.35cm)的波約有2dB/km的衰減，氧對於f=6GHz和12GHz(λ=5mm和2.5mm)的波衰減分別達到3.4和14dB/km。因此對於毫米波通信和廣播必須選用衰減峰之間的頻率，以避免過大的衰減;在計算發射功率時，必須留出足夠的餘量以彌補傳播途徑中的衰減。