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光的散射和色散

光的散射和色散

作者:邱东平

漠河县北极乡中心校

光的散射和色散

1.光的散射

介质对光的散射是光与物质相互作用的基本过程。在光学性质均匀介质的界面上,无论光的直射、反射或折射,都仅限于在特定的一些方向上,而在其余方向光强则等于零,我们沿光束的侧向观察就应当看不到光。但当光束通过浑浊的液体或穿过灰尘弥漫的空间时,就可在侧面看到光束的轨迹,即在光线远传播方向意外接收到光能,而光束通过均匀透明介质时,除传播方向外,是看不到光的。这种因介质的非均匀性,使光能不止沿定向,同时还沿若干其他方向传播的现象,称为光的散射。

第1节散射和反射现象的区别

反射现象:反射定律仅在介质界面是理想光滑平面(镜面)的条件下才适用。但任何物质的表面永远不可能是几何平面,而且由于分子的热运动,表面还在不断地变化着。在一定的入射光波长范围内,只要界面上每一个不规则区域都非常小,即任何凹|凸部分的线度都远小于光的波长,就可以认为是理想的光滑平面。实际的镜面都不是理想的镜面,因此都会产生光的漫反射。这时,我们可以认为反射光束是许多小镜面的反射光的叠加。

第2节瑞利散射和分子散射

按照引起物质光学非均匀性的原因,可将光的散射分为两大类,一类是光在浑浊的介质(如含有烟、雾、水滴的大气,乳状溶液,胶体溶液等)中产生的散射,这类散射就是悬浮微粒的散射。其中当悬浮微粒的线度小于十分之一波长时产生的散射称为瑞利散射;当悬浮微粒的线度接近或大于波长时产生的散射称为米氏散射。另一类是纯净介质,因分子热运动引起密度起伏,或因分子各向异性引起分子取向起伏,或因纯溶液中的浓度起伏等,导致介质的光学性质变得不均匀,从而产生光的散射,这就是分子散射。在临界点,气体密度起伏很大,可以观察到显著的分子散射,这种现象称为临界乳光。

本节主要介绍瑞利散射和分子散射以及利用它们解释各种自然现象。

首先白昼天空之所以是亮的,完全是大气散射阳光的结果。若果没有大气层,即使在白昼,天空也将是一片漆黑。一个宇航员曾这样描述大气层以外的天空:

“太阳在高空悬挂着,像一个金色的大圆盘,而天空却像一面黑色天鹅绒的幕布,一颗颗星星就像镶在黑幕布上的宝石,闪闪发光。”由于大气的散射,将阳光从各个方向射向观察者,我们才看到了光亮的天穹。

那么天空为什么呈现蓝色呢?按照瑞利散射定律,白光中的短波成分(蓝紫

λ)光)遭到的散射比长波成分(红黄色)强烈得多。例如,红光波长(nm

=

720λ)的1.8倍,则紫光散射光强度约为红光的1.84≈10倍。为紫光波长 (nm

=

400

所以太阳的散射光则因短波的富集而呈蔚蓝色。瑞利曾对天空中各种波长的相对光强做过测量,发现与4λ反比率颇相吻合。大气的散射一部分来自悬浮的尘埃,大部分是密度涨落引起的分子散射。后者的尺度往往比前者小得多,瑞利4λ反比率的作用更加明显。所以每当大雨初霁、玉宇澄清了万里埃的时候,天空总是蓝的格外美丽可爱。其道理就在这里。

清晨日出或傍晚日落时,看到的太阳呈红色,而正午的太阳基本上呈白色,这与天空呈蓝色属于同一类现象。正午太阳直射时,穿过大气层的厚度最小,阳光中被散射掉的短波成分不太多,因此垂直透过大气层后的阳光基本上是白色或略带黄橙色。早晚阳光以很大的倾角斜射时,穿过大气层的厚度要比正午时厚得多,所有波长较短的蓝光、黄光等几乎都朝侧向散射,仅剩下波长较长的红光到达观察者(接近地面的空气中有尘埃,更增强了散射作用),所以旭日和朝阳呈红色,但此时仰观天空时看到的仍是浅蓝色。而云块为阳光所照射,亦呈红色,这便是我们看到的美丽绚烂的朝霞和晚霞。

正是由于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常在照相机物镜前加上红色滤光片以获得更清晰的照片。另外,红外线的穿透力比可见光强,常用于远距离照相或遥感技术。同样的,汽车雾灯照射出来的光是黄色光,这是经过科学家精心研究以后做出的最佳选择。为什么不用比较醒目的红光呢?因为雾灯的光必须具有散射的作用,才能让光束尽可能看清目标又不觉得刺眼。而黄色光的散射强度是红色光散射强度的5倍。显而易见,采用黄色光作为汽车雾灯的光色要比用红色光效率高得多。

通过深入研究散射光的性质,还能获得胶体溶液、浑浊介质和高分子物质的物理化学性质,测定微粒的大小和运动速率等。还可以通过测定激光在大气中的

散射来测定大气中悬浮微粒的密度和其他特性,以确定大气污染的情况。

近年来,随着人类工业生产、社会生活中大量石化能源的消耗及大量污染气体的排放,环境污染尤其是大气污染问题(如酸雨、光化学烟雾、大气温室效应等)日益严重,已直接影响到人类的生存质量和经济的可持续发展,大气污染检测及环境保护已成为世界各国都十分关注的热点问题。

以连续宽光谱光源或激光作为探测光源,利用其在大气中传播时的选择吸收激光散射现象,人们已成功制成差分光学吸收光谱系统及多种激光雷达系统,在污染气体成分以及气溶胶密度、能见度、温度等大气环境参数的监测及分析方面获得了广泛的应用。激光雷达是现代遥感领域的最新技术之一,它与无线电雷达的工作原理基本相同,由能量密度高、方向性好的激光束代替无线电雷达中的射频电磁波束或微波束,因而具有更高的测距及测量角精度,且激光雷达系统的体积小、重量轻,更适合机载、空载等进行机动测量。基于光的散射现象而研制的测量大气气溶胶分布及大气能见度的米氏散射雷达系统主要用于探测低空大气中的尘埃、云雾等气溶胶粒子、大气气溶胶粒子散射和吸收入射的太阳光辐射,它还作为凝结核参与云、雾、雨、露的形成,从而对大气的辐射平衡、化学过程、气候变化乃至人们的日常生活都有着重要的影响。

2. 光的色散

第1节色散的特点

在星际空间(真空)里,光以恒定的速度传播,并且速度与光速的频率无关。这一事实在航天观测中被认为是相当可靠的。在通过任何介质时,光的速度都发生变化,而且不同频率的光在同一物质中的传播速度不同。这一事实在折射现象中明显地反应出来。例如,白光通过棱镜或水晶时出现的色散现象是众所周知的。早在公元11世纪,我国已有关于天然晶体的色散现象的记载。北宋初年,杨亿(974--1020)著的《杨公文谈苑》一书中说:“嘉州峨眉山有菩萨石,人多收之,色莹白如玉,如上饶水晶之类,日射之有五色,…”,物质的折射率和光的频率有关,而折射率取决于真空中光速和物质中光速之比。

=)随波长λ而变化的现象,光在介质中的传播速度ν(或者说折射率n cν

称为色散。在中学阶段,色散现象是指一束白光经过三棱镜后分解成各种单色光

的现象。

第2节色散的现象

色散现象在自然界中也常常可见。比如我们在雨后的天空可以看见彩虹,偶尔夜间也会看见白虹,这些都是具体的色散现象。那么彩虹与白虹是如何产生的呢?首先,要搞清楚光的特性,光分为白光和色光,白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七色光组成。白光和色光在同一种物质(或称光的媒质)中是以直线传播的;但在两种媒质交界面处光将发生折向传播(或称光的折射),不同颜色的光其折向程度不同。白光通过一种三棱镜时,由于各种色光折向不同而产生红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七种色光,这种现象就是光的色散现象。

白虹和彩虹是同样的物理现象,彩虹就是电影中看到牛郎和织女会面的七色

拱形的拱桥。七色拱桥就是雨前或雨后的早晨在西边或傍晚在东方天空出现的彩虹。在雨前或雨后,天空比较潮湿,具有许多小水滴,这些小水滴相当于光学中的“三棱镜”,当太阳光穿过这些小水滴时,不仅改变了前进的方向,同时分解成七色光,这就成了我们所看到的彩虹。当空气中小水滴很多,又不太大时,虹的颜色特别鲜艳。反之,虹就不清晰了。

白虹的形成与彩虹完全一样,只不过白虹是夜间出现的一条白色弧形光带,这白色光带是由月光通过小水滴时所形成的。由于月光是太阳光照射到月球上反射到地球上,这时月光的强度比太阳光要弱得多了。这种很微弱的月光,通过小水滴而分解的七色光线,颜色十分模糊,肉眼看不清楚,结果看起来好像一条弧形的白色带子。民间就把它称为“白虹”或“月虹”。反之,月亮要下山时,在东北方向的空中可能出现白虹。在民间,有些人认为白虹的出现意味着有祸事要发生。其实,白虹的出现并不是一件可惊可叹又可怕的祸事,而只能告诉人们,天快要下雨了。所以,不管是彩虹还是白虹,都是光经过小小水滴色散而形成的,一点也不奇怪。如果你早上刷牙时,把嘴里的水朝着太阳喷出来,这时你就可以看到有一条彩色的虹出现。要是夜间对着月亮喷水就不可能看到彩虹。这是因为月亮微弱的缘故,所以彩虹与白虹,都是自然界的色散现象,与人间的祸害无关。

散射和色散现象是光学中很美丽和有研究价值的一部分,光学又是一门博大精深的学科,是物理学的一个重要组成部分,是研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用的基础学科,它与原子物理、电动力学和量子力学等学科有密切关

系,而激光的出现和发展则使光学的研究进入一个崭新的阶段,成为现代科学技术前沿阵地之一。现代社会光学应用越来越广泛,它与其他科学技术的结合,在人们的生产生活中发挥着日益重大的作用和影响,而且正在成为人们认识自然,改造自然以及提高生产力的最直接最有效的武器。本文介绍的光的散射和色散现象的知识,解释了日常生活中的各种自然现象,如为什么我们看到的太阳在一天中的不同时刻呈现不同的颜色?彩虹和白虹是怎样产生的等等,不仅使我们对这些现象有了更多科学的认识,同时对这些现象的研究也有助于环境监测及天气情况的预报,使人们能更好的认识和改造世界。