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1、7.4 光的散射光的散射 (Scattering of light)光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向,向向四周散射的现象，四周散射的现象，叫光的散射叫光的散射。散射和吸收散射和吸收：由于光的散射是将光能散射到其它方：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。量，所以从本质上说二者不同。光的散射现象光的散射现象 (Scattering phenomena of light)但是在实际测量时，但是在实际测量时，很难区分开它们很难区分开它们对透
2、射光强的对透射光强的影响。因此，在实际工作上通常都将这两个因素的影响。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影响考虑在一起。h 为散射系数，为散射系数，K 为吸收系数，为吸收系数，为衰减系数，并且为衰减系数，并且,在在实际测量中得到的都是实际测量中得到的都是。透射光强表示透射光强表示为为:光的散射现象光的散射现象 (Scattering phenomena of light)根据散射光的波矢根据散射光的波矢K 和波长的变化与否，将散射分和波长的变化与否，将散射分为为两大类两大类：光的散射现象光的散射现象 (Scattering phenomena of light)一类散射是散射
3、一类散射是散射光波矢光波矢 K 变化，但波长不变化变化，但波长不变化(瑞瑞利散射，米氏散射和分子散射利散射，米氏散射和分子散射)；另一类是散射另一类是散射光波矢光波矢 K 和波长均变化和波长均变化(喇曼散射，喇曼散射，布里渊散射布里渊散射等等)。瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)有些光学有些光学不均匀性十分显著的介质不均匀性十分显著的介质能够产生强烈的能够产生强烈的散射现象，这类介质一般称为散射现象，这类介质一般称为“浑浊介质浑浊介质”。亭达尔从实验上总结出了一些规律，因此，这一类亭达尔从实验上总结出了一些规律，因此，这一类现象叫现象叫亭达尔效应亭达尔效应。这些规律其
4、后为瑞利在理论上。这些规律其后为瑞利在理论上说明，所以又叫说明，所以又叫瑞利散射瑞利散射。瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)亭达尔亭达尔等人最早对浑浊介质的散射进行了大量的等人最早对浑浊介质的散射进行了大量的实验研究实验研究,尤其是微粒线度比光波长小尤其是微粒线度比光波长小,即不大于即不大于(1/51/l0)的浑浊介质。的浑浊介质。瑞利散射的瑞利散射的主要特点主要特点：散射光强度与入射光波长的四次方散射光强度与入射光波长的四次方成反比成反比，即，即I()为相应于某一观察方向为相应于某一观察方向(与入射光方向成与入射光方向成角角)的的散射光强度。该式说明，散射光强度。该
5、式说明，光波长愈短，其散射光强光波长愈短，其散射光强度愈大度愈大，由此可以说明许多自然现象。，由此可以说明许多自然现象。瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)天空为什么呈现蓝色呢天空为什么呈现蓝色呢?由瑞利散射定律可以看出在由瑞利散射定律可以看出在由大气散射的太阳光中，由大气散射的太阳光中，短波长光占优势短波长光占优势。红光波长红光波长(720nm)为紫光波长为紫光波长(400nm)的的1.8 倍倍,因此紫光散射因此紫光散射强度约为红光的强度约为红光的(1.8)410 倍倍。太阳散射光在大气层内层太阳散射光在大气
6、层内层,蓝色的成分比红色多蓝色的成分比红色多,使天使天空呈蔚蓝色空呈蔚蓝色。瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)为何正午的太阳基本上呈为何正午的太阳基本上呈白色白色,而旭日和夕阳却呈而旭日和夕阳却呈红色红色?正午的太阳正午的太阳地球地球大气层大气层散射散射 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)正午太阳直射正午太阳直射,穿过大气层穿过大气层厚度最小厚度最小,阳光中被散射掉阳光中被散射掉的短波成分不太多的短波成分不太多,因此基本上呈因此基本上呈白色或略带黄橙色白色或略带黄橙色。早晚的阳光斜射早晚的阳光斜射,穿过大气层的厚度比正午时穿过大气层的厚度比正
7、午时厚得多厚得多,大气散射掉的短波成分大气散射掉的短波成分,透过长波成分，所以透过长波成分，所以旭日和旭日和夕阳呈红色夕阳呈红色。瑞利散射瑞利散射 (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景色时，可在照相机物镜前加上红色滤光片红色滤光片以获得更以获得更清晰的照片。清晰的照片。瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)红外线穿透力红外线穿透力比可见光强，常被用于远距离照相或比可见光强，常被用于远距离照相或遥感技术。遥感技术。瑞利散射瑞利散射 (Rayleig
8、h scattering)散射光强度随观察方向变化。自然光入射时，散散射光强度随观察方向变化。自然光入射时，散射光强射光强 I()与与 (1+cos2)成正比成正比。入射光方向入射光方向观察方向观察方向 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)散射光是偏振光（完全偏振光或部分偏振光）散射光是偏振光（完全偏振光或部分偏振光），该，该偏振光的偏振度与观察方向有关。偏振光的偏振度与观察方向有关。瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)瑞利散射光的光强度角分布和偏振特性起因于散射瑞利散射光的光强度角分布和偏振特性起因于散射光是光是横电磁波。横电磁波。自然光沿自然
9、光沿 x 方向入射到介质的带电微粒方向入射到介质的带电微粒 e 上，上，使其使其作受迫振动作受迫振动。xzyPe 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)图中的图中的入射光可分解入射光可分解为沿为沿 y 方向和方向和 z 方向的两个光方向的两个光振动，其振幅相等，振动，其振幅相等，AyAzA0。xzyPe 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)假设考察位于假设考察位于 xey 面内的面内的 P 点，散射光方向点，散射光方向 eP与入与入射光方向成射光方向成 角，则其两个光振动分量的振幅分别为角，则其两个光振动分量的振幅分别为 AzAzA0 和和 AyA
10、ycosA0cos。xzyPexyPAyAy 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)散射光强度散射光强度 I()为为 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)入射光方向入射光方向观察方向观察方向由于散射光两个振动分量的大小与散射方向有关由于散射光两个振动分量的大小与散射方向有关,所所以散射光的偏振态随散射方向不同而异以散射光的偏振态随散射方向不同而异。瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)沿着入射光方向或逆着入射光方向，散射光为沿着入射光方向或逆着入射光方向，散射光为自然光自然光；在垂直入射光方向的在垂直入射光方向的 y 轴和轴和
11、 z 轴上，散射光为轴上，散射光为线偏线偏振光振光；其余方向上的散射光，均为；其余方向上的散射光，均为部分偏振光部分偏振光。xzyPe 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering)7.4.3 米氏散射米氏散射 (Mie scattering)当散射粒子的当散射粒子的尺寸接近或大于波长尺寸接近或大于波长时时,其散射规律与其散射规律与瑞利散射不同。瑞利散射不同。米氏米氏提出了悬浮微粒线度可与入射光波长相比拟时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的散射理论，称为米氏散射，称为米氏散射。米氏散射的主要特点是：米氏散射的主要特点是：散射光强与偏振特性随散射光强与偏振特性随散
12、射粒子的尺寸变化散射粒子的尺寸变化。散射光强随波长的变化规律是与波长散射光强随波长的变化规律是与波长 的的较低幂次较低幂次成反比成反比，即，即n1，2，3。N 的具体取值取决于微粒尺寸。的具体取值取决于微粒尺寸。散射光的散射光的偏振度随偏振度随 r/的增加而减小的增加而减小,这里这里 r 是是 散射粒子的线度，散射粒子的线度，是入射光波长。是入射光波长。随着悬浮微粒线度的增大，沿入射光方向的散射随着悬浮微粒线度的增大，沿入射光方向的散射 光强将光强将大于大于逆入射光方向的散射光强。逆入射光方向的散射光强。7.4.3 米氏散射米氏散射 (Mie scattering)当微粒线度约为当微粒线度约为
13、1/4波长时波长时,散射光强角分布如图所散射光强角分布如图所示示,此时此时 I()在在=0 和和=处的差别尚不很明显处的差别尚不很明显。z当微粒线度继续增加时当微粒线度继续增加时,在在 0 方向的散射光强明方向的散射光强明显占优势，并显占优势，并产生一系列次极大值产生一系列次极大值。z7.4.3 米氏散射米氏散射 (Mie scattering)小水滴在可见光范围内产生的散射属于米氏散射小水滴在可见光范围内产生的散射属于米氏散射,其其散射光强与光波长关系不大散射光强与光波长关系不大,所以所以云雾呈现白色云雾呈现白色。7.4.3 米氏散射米氏散射 (Mie scattering)分子散射分子散射
14、 (Molecular scattering)光在浑浊介质中产生光在浑浊介质中产生瑞利散射和米氏散射之外，纯瑞利散射和米氏散射之外，纯净介质中也产生散射净介质中也产生散射。这就是在纯净这就是在纯净介质中，因分子热运动引起密度起伏介质中，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引起介质光学性质的非均匀所产生光的散射,称为称为分分子散射子散射。在临界点时在临界点时，气体密度起伏很大，可以观察到明显，气体密度起伏很大，可以观察到明显的分子散射，这种现象称为的分子散射，这种现象称为临界乳光临界乳光。由于分子热运动产生的密度起伏所引起折射率不均匀由于分子热运动产生的密度起伏所引起折
15、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，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散射光强与散射角的关系与瑞利散射相同。分子散射分子散射 (Molecular scattering)n 为气体折射率为气体折射率,N0 为单位体积气体中的分子数目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，为散射点到观察点的距离，Ii 为入射光强度。为入射光强度。理想气体对自然光的分子散射光强为理想气体对自然光的分子散射光强为 分子散射分子散射 (Molecular scattering)7.4.5 喇曼散射喇曼散射 (Raman scatter
16、ing)瑞利散射、米氏散射和分子散射中散射光的瑞利散射、米氏散射和分子散射中散射光的方向改方向改变，而波长不改变变，而波长不改变，即散射光和入射光是，即散射光和入射光是同一频率同一频率。喇曼散射和布里渊散射是散射光的喇曼散射和布里渊散射是散射光的方向和波长方向和波长相对相对入射光均发生变化的一种散射。入射光均发生变化的一种散射。1928年年,印度科学家印度科学家喇曼喇曼发现了散射光中除有与入射发现了散射光中除有与入射光频率光频率 v0 相同的瑞利散射线外，在其两侧还伴有频相同的瑞利散射线外，在其两侧还伴有频率为率为 vl，v2，v3，v1，v2，v3 的散射线存的散射线存在。在。v0v1v2v
17、3v1v2v37.4.5 喇曼散射喇曼散射 (Raman scattering)当用单色性较高的准单色光源照射某种气体或液体，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在入射光的垂直方向上用光谱仪摄取散射光,就会观就会观察到上述散射，这种散射现象就是察到上述散射，这种散射现象就是喇曼散射喇曼散射。光谱仪光谱仪散射物散射物光源光源7.4.5 喇曼散射喇曼散射 (Raman scattering)喇曼散射的持点是：喇曼散射的持点是：在每一条原始的入射光谱线旁边都伴有散射线在每一条原始的入射光谱线旁边都伴有散射线,在在 原始光谱线的长波长方向的散射谱线称为原
18、始光谱线的长波长方向的散射谱线称为红伴线红伴线 或斯托克斯线或斯托克斯线，在短波长方向上的散射线称为，在短波长方向上的散射线称为紫紫 伴线或反斯托克斯线伴线或反斯托克斯线。v0v1v2v3v1v2v3红伴线或斯托克斯线红伴线或斯托克斯线紫伴线或反斯托克斯线紫伴线或反斯托克斯线喇曼散射的持点是喇曼散射的持点是：这些频率差的数值与这些频率差的数值与入射光波长无关入射光波长无关，只与散射介，只与散射介 质有关。质有关。每种散射介质有它自己的一套频率差每种散射介质有它自己的一套频率差 v1v0 vl,v2 v0v2，v3 v0v3,与红外吸收的频率与红外吸收的频率相等相等,它们表征了它们表征了散射介质的分子振动频率。散射介质的分子振动频率。CHOCH作业：作业：P316 1、4、6、8、10