7.4 光的散射 ( Scattering of light)

1. 7.4光的散射 (Scattering of light) 光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向, 向四周散射的现象，叫光的散射。

2. 7.4.1光的散射现象 (Scattering phenomena of light) 散射和吸收：由于光的散射是将光能散射到其它方向上，而光的吸收则是将光能转化为其它形式的能量，所以从本质上说二者不同。 但是在实际测量时，很难区分开它们对透射光强的影响。因此，在实际工作上通常都将这两个因素的影响考虑在一起。

3. 7.4.1光的散射现象 (Scattering phenomena of light) 透射光强表示为: h 为散射系数，K 为吸收系数， 为衰减系数，并且,在实际测量中得到的都是。

4. 7.4.1光的散射现象 (Scattering phenomena of light) 根据散射光的波矢K 和波长的变化与否，将散射分为两大类： 一类散射是散射光波矢 K 变化，但波长不变化(瑞利散射，米氏散射和分子散射)； 另一类是散射光波矢 K 和波长均变化(喇曼散射，布里渊散射等)。

5. 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 有些光学不均匀性十分显著的介质能够产生强烈的散射现象，这类介质一般称为“浑浊介质” 。

6. 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 亭达尔等人最早对浑浊介质的散射进行了大量的 实验研究,尤其是微粒线度比光波长小,即不大于(1/5～1/l0)的浑浊介质。 亭达尔从实验上总结出了一些规律，因此，这一类现象叫亭达尔效应。这些规律其后为瑞利在理论上说明，所以又叫瑞利散射。

7. 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 瑞利散射的主要特点： ①散射光强度与入射光波长的四次方成反比，即 I() 为相应于某一观察方向(与入射光方向成角)的散射光强度。该式说明，光波长愈短，其散射光强度愈大，由此可以说明许多自然现象。

9. 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 天空为什么呈现蓝色呢?由瑞利散射定律可以看出在由大气散射的太阳光中，短波长光占优势。 红光波长( ＝720nm)为紫光波长(＝400nm ) 的1.8 倍,因此紫光散射强度约为红光的(1.8)4≈10 倍。

10. 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 太阳散射光在大气层内层,蓝色的成分比红色多,使天空呈蔚蓝色。

11. 正午的太阳 散射 地球 大气层 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 为何正午的太阳基本上呈白色,而旭日和夕阳却呈红色? 正午太阳直射,穿过大气层厚度最小, 阳光中被散射掉的短波成分不太多, 因此基本上呈白色或略带黄橙色。

12. 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 早晚的阳光斜射,穿过大气层的厚度比正午时厚得多,大气散射掉的短波成分,透过长波成分，所以旭日和夕阳呈红色。

13. 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 红光透过散射物的穿透力比蓝光强，所以在拍摄薄雾景色时，可在照相机物镜前加上红色滤光片以获得更清晰的照片。

14. 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 红外线穿透力比可见光强，常被用于远距离照相或遥感技术。

15. 入射光方向  观察方向 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) ②散射光强度随观察方向变化。自然光入射时，散射光强 I( ) 与 (1+cos2) 成正比。

16. 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) ③散射光是偏振光（完全偏振光或部分偏振光），该偏振光的偏振度与观察方向有关。 瑞利散射光的光强度角分布和偏振特性起因于散射光是横电磁波。

17. y P  z e x 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 自然光沿 x 方向入射到介质的带电微粒 e 上，使其作受迫振动。

18. y P  z e x 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 图中的入射光可分解为沿 y 方向和 z 方向的两个光振动，其振幅相等，Ay＝Az＝A0。

19. y y Ay P P Ay   x  z e x 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 假设考察位于 xey 面内的 P 点，散射光方向 eP与入射光方向成 角，则其两个光振动分量的振幅分别为 Az＝Az＝A0 和 Ay＝Aycos＝A0cos。

20. 入射光方向  观察方向 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 散射光强度 I()为

21. 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 由于散射光两个振动分量的大小与散射方向有关,所以散射光的偏振态随散射方向不同而异。

22. y P  z e x 7.4.2瑞利散射 (Rayleigh scattering) 沿着入射光方向或逆着入射光方向，散射光为自然光；在垂直入射光方向的 y 轴和 z 轴上，散射光为线偏振光；其余方向上的散射光，均为部分偏振光。

23. 7.4.3 米氏散射(Mie scattering) 当散射粒子的尺寸接近或大于波长时,其散射规律与瑞利散射不同。 米氏提出了悬浮微粒线度可与入射光波长相比拟时的散射理论，称为米氏散射。

24. 米氏散射的主要特点是： ①散射光强与偏振特性随散射粒子的尺寸变化。 ②散射光强随波长的变化规律是与波长 的较低幂次成反比，即 n＝1，2，3。N 的具体取值取决于微粒尺寸。

25. 7.4.3 米氏散射(Mie scattering) ③散射光的偏振度随 r / 的增加而减小,这里 r 是 散射粒子的线度， 是入射光波长。 ④随着悬浮微粒线度的增大，沿入射光方向的散射 光强将大于逆入射光方向的散射光强。

26. z z 7.4.3 米氏散射(Mie scattering) 当微粒线度约为1/4波长时,散射光强角分布如图所示,此时 I() 在 = 0和 = 处的差别尚不很明显。 当微粒线度继续增加时,在 ＝0 方向的散射光强明显占优势，并产生一系列次极大值。

27. 7.4.3 米氏散射(Mie scattering) 小水滴在可见光范围内产生的散射属于米氏散射, 其散射光强与光波长关系不大, 所以云雾呈现白色。

28. 7.4.4分子散射 (Molecular scattering) 光在浑浊介质中产生瑞利散射和米氏散射之外，纯净介质中也产生散射。 这就是在纯净介质中，因分子热运动引起密度起伏引起介质光学性质的非均匀所产生光的散射, 称为分子散射。

29. 7.4.4分子散射 (Molecular scattering) 在临界点时，气体密度起伏很大，可以观察到明显的分子散射，这种现象称为临界乳光。 由于分子热运动产生的密度起伏所引起折射率不均匀区域的线度比可见光波长小很多，所以分子散射中，散射光强与散射角的关系与瑞利散射相同。

30. 7.4.4分子散射 (Molecular scattering) 理想气体对自然光的分子散射光强为 n 为气体折射率,N0 为单位体积气体中的分子数目, r 为散射点到观察点的距离，Ii 为入射光强度。

31. 7.4.5 喇曼散射(Raman scattering) 瑞利散射、米氏散射和分子散射中散射光的方向改变，而波长不改变，即散射光和入射光是同一频率。 喇曼散射和布里渊散射是散射光的方向和波长相对入射光均发生变化的一种散射。

32. v3 v2 v0 v1 v2 v3 v1 7.4.5 喇曼散射(Raman scattering) 1928年,印度科学家喇曼发现了散射光中除有与入射光频率 v0 相同的瑞利散射线外，在其两侧还伴有频率为 vl，v2，v3…，v1，v2，v3…的散射线存在。

33. 光源 散射物 光谱仪 7.4.5 喇曼散射(Raman scattering) 当用单色性较高的准单色光源照射某种气体或液体，在入射光的垂直方向上用光谱仪摄取散射光,就会观察到上述散射，这种散射现象就是喇曼散射。

34. v3 v2 v0 v1 v2 v3 v1 喇曼散射的持点是： ①在每一条原始的入射光谱线旁边都伴有散射线, 在 原始光谱线的长波长方向的散射谱线称为红伴线 或斯托克斯线，在短波长方向上的散射线称为紫 伴线或反斯托克斯线。 紫伴线或反斯托克斯线 红伴线或斯托克斯线

35. O C H C H 喇曼散射的持点是： ②这些频率差的数值与入射光波长无关，只与散射介 质有关。 ③每种散射介质有它自己的一套频率差 v1＝v0－ vl, v2 ＝v0－v2，v3 ＝v0－v3…, 与红外吸收的频率相等,它们表征了散射介质的分子振动频率。

36. 作业：P316 1、4、6、8、10