瑞利散射 编辑

光学现象

瑞利散射瑞利散射

瑞利散射是一种光学现象,属于散射的一种情况。又称“分子散射”。粒子尺度远小于入射光波长时(小于波长的十分之一),其各方向上的散射光强度是不一样的,该强度与入射光的波长四次方成反比,这种现象称为瑞利散射。

基本信息

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中文名:瑞利散射

外文名:Rayleighscattering

相关术语:大气散射

学科分支:大气物理学

描述

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瑞利散射规律是由英国物理学家瑞利勋爵(Lord Rayleigh)于1900年发现的,因此得名。

为了要符合瑞利散射的要求,微粒的直径必须远小于入射波的波长,通常上界大约是波长的1/10(1-300 nm),此时散射光线的强度与入射光线波长的四次方成反比,也就是说,波长愈短,散射愈强。

另外,散射的光线在光线前进方向和反方向上的程度是相同的,而在与入射光线垂直的方向上程度最低 。

光学现象

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(1)天空的颜色

由于瑞利散射的强度与波长四次方成反比,所以太阳光谱中波长较短的蓝紫光比波长较长的红光散射更明显,而短波中又以蓝光能量最大,所以在雨过天晴或秋高气爽时(空中较粗微粒比较少,以分子散射为主),在大气分子的强烈散射作用下,蓝色光被散射至弥漫天空,天空即呈现蔚蓝色。

另外,由于大气密度随高度急剧降低,大气分子的散射效应相应减弱,天空的颜色也随高度由蔚蓝色变为青色(约 8 公里)、暗青色(约 11 公里)、 暗紫色(约 13 公里)、黑紫色(约 21 公里),再往上,空气非常稀薄,大气分子的散射效应极其微弱,天空便为黑暗所湮没。可以说,瑞利散射的结果,减弱了太阳投射到地表的能量。

光谱波长光谱波长

散射强度与入射光线波长成反比散射强度与入射光线波长成反比

(2)晚霞的颜色

当日落或日出时,太阳几乎在我们视线的正前方,此时太阳光在大气中要走相对很长的路程,我们所看到的直射光中的波长较短蓝光大量都被散射了,只剩下红橙色的光,这就是为什么日落时太阳附近呈现红色,而云也因为反射太阳光而呈现红色,但天空仍然是蓝色的。

(3)海水的颜色

水对可见光中红光的吸收稍强于蓝光,所以少量水呈现无色,大量水呈现蓝色(可以理解为水其实是有着非常非常淡蓝色的液体),在水中尺度较大的微粒的反射下使得海水看上去呈现较深的蓝色,这是海水颜色的主要成因。同时在清洁的大洋水中,因为悬浮颗粒少,粒径小,分子散射也起着一定作用,其散射服从瑞利散射定律,对海水的蓝色也有一定的贡献作用。

原理

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(1)尺度数α

散射的程度变化是粒子半径(r)与辐射波长(λ)比例的函数,连同许多其它因子,像极化、角度、以及相干性等等。因此常引用无量纲尺度数α = 2πr/λ作为判别标准:

当α远小于0.1时,可用瑞利散射;

当α≥0.1 时,需用米散射;

当α>50 时,可用几何光学。

(2)变化规律

图1给出水滴的散射效率因子随尺度数α变化的曲线。

图1 水滴的散射效率因子随尺度数α变化的曲线图1 水滴的散射效率因子随尺度数α变化的曲线

从图1中可以看出,当α很接近0时,散射效率因子随α增长很快,这是瑞利散射的特征。对一同一类散射粒子(例如空气分子),因为半径r是固定的,则α的加大意味着波长λ的减小。

散射效率因子随着α的增长表明了较短波长的光散射比较长波长的强。

较短波长的光散射比较长波长的强较短波长的光散射比较长波长的强

应用

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一个完美控制的激光束能够准确地散射于一个微粒,产生出命定性的结果。这样的状况也会发生于雷达散射,目标大多数是宏观物体,像飞机或火箭。

许多科技领域显著地应用到散射和散射理论。例如,超声波检查、半导体芯片检验、聚合过程监视、电脑成像等等。

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