第六章光的色散吸收散射瑞利散射米氏散射光偏振性

1問：天空為什么是藍的？旭日和夕陽為什么是紅的，而中午的太陽看起來又是白的？云為什么是白的？如果沒有空氣，天空又會是什么樣的呢？§6.3光的散射1光的散射現(xiàn)象

當光束通過均勻的透明介質時，從側面是難以看到光的。但當光束通過不均勻的透明介質時，則從各個方向都可以看到光，這是介質中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結果，這種現(xiàn)象稱為光的散射。例如，當一束太陽光從窗外射進室內時，我們從側面可以看到光線的徑跡，就是因為太陽光被空氣中的灰塵散射的緣故。

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光的吸收和散射都使原來傳播方向上的光減弱，也遵從下列負指數(shù)規(guī)律：

a為散射系數(shù)，s為吸收系數(shù)，a+s稱為衰減系數(shù)。散射的分類：按入射光的頻率是否發(fā)生改變分類3按物質不均勻的性質分類2）分子散射：純凈物質由于分子熱運動造成密度統(tǒng)計性漲落，而產(chǎn)生光的散射現(xiàn)象。1）懸浮物質散射：煙霧、塵埃、懸浮液、乳濁液，質點的線度<入，質點之間的距離>>入，質點的無序排列，破壞次波相位關系，形成散射光。按散射光強與入射光波長的關系來分類：2）米氏（G.Mie）或丁達爾(J.Tyndall)散射，物質點線度>入。不遵從瑞利的入4

反比律。1）瑞利散射條件：分子散射或懸浮物質點線度<入，例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵的大氣中的散射。42、散射和反射、漫射和衍射現(xiàn)象的區(qū)別反射——理想界面，物體線度遠大于波長。漫射——非理想界面，可看成許多無規(guī)小鏡面，向各方向反射。衍射——個別不均勻區(qū)域造成的，線度可與光的波長相比擬。散射——大量，無規(guī)則排列，不均勻小區(qū)域集合造成的，線度可比光的波長小，且小區(qū)域間發(fā)生不相干疊加。5

把線度小于光的波長的微粒對入射光的散射，稱為瑞利散射（Rayleighscattering）。瑞利散射不改變原入射光的頻率。3瑞利散射瑞利散射時，由于藍光波長較短，其散射強度就比波長較長的紅光強，因此散射光中藍光的成份較多。6

注意畫面上的香火形成的煙霧呈現(xiàn)出一種淺藍色這是由于組成煙霧的碳粒子線度非常小，由這些煙霧產(chǎn)生的散射光符合瑞利散射的條件，因此散射光中的藍光成份比紅光成份強得多。我們平時所說的“裊裊青煙?！闭f是就是這種瑞利散射所產(chǎn)生的現(xiàn)象。思考：天空為什么是藍的？旭日和夕陽為什么是紅的，而中午的太陽看起來又幾乎是白的？云為什么是白的？7

而在早晨或者黃昏，由于陽光照射時要穿過比中午時更長距離的大氣層，更多的藍光被散射，因此太陽看上去就會是偏紅色的。8

較大顆粒對光的散射不遵從瑞利的λ的四次方反比律。此時為米氏(Mie)散射，散射光強與波長關系不大。

米氏散射和瑞利散射的規(guī)律不同，它產(chǎn)生的散射與波長的關系不大，幾乎所有波長的光都含有，所以看起來是白色光。也是是否看到藍天白云的根本原因。也是人工降雨的理論基礎。9

黃山風景山中的霧氣實際上是懸浮在空氣中的小液滴，是一種很理想的散射源。由于液滴的尺寸比光波波長大得多，主要是米氏散射，散射光呈白色。10在空氣條件好即空氣比較潔凈，懸浮塵埃較少時，主要是瑞利散射，散射光中藍色成份較多，這就是我們看到的藍天白云。而在一些城市里，特別是大氣污染較嚴重的大城市里，由于空氣中充滿了線度較大的懸浮塵埃粒子，此時的散射光有很大一部分是米氏散射產(chǎn)生的呈白色。因此天空就是白茫茫的。白云是大氣中的水滴組成的，這些水滴的半徑與可見光的波長相比已不算太小了，瑞利定律不再適用，按米氏散射理論，這樣大小的物質產(chǎn)生的散射與波長的關系不大，這就是云霧呈白色的緣故。

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一幢大樓晚上樓頂上的幾束強光刺破夜空，能看到這幾道光束，就是散射的作用。如果城市上空的空氣不干凈，懸浮塵埃越多，散射就越強，光束就會顯得很亮。反之，光束就會顯得很淡。如果晚上基本上看不到這幾道光束了，也許白天城市就會有藍色的天空了。思考：如果沒有空氣，天空又會是什么樣的呢？12

4散射光的偏振性

散射光

(線偏振光)

透射光

(自然光)zx

py入射自然光

B

散射光(部分偏振光)

散射光

(線偏振光)如圖所示，自然光沿z方向入射，P處發(fā)出的不同方向的偶極輻射有不同的偏振情況。例如沿PB方向觀察到的只是部分偏振光，其偏振度隨

角而變，天空大氣散射的日光就是部分偏振光。自然光入射：透射光，自然光;正側散射光-線偏振光;其它方向-部分偏振光.蜜蜂眼睛可以感知光的偏振性，它們正是利用大氣對陽光的散射光的偏振特性+自身的生物鐘準確回巢的！退偏振：上述偏振是對于各向同性的物體對光的散射，但自然光經(jīng)過各向異性的物體要復雜的多，例如，線偏振光的經(jīng)各向異性物體散射后從側向觀察散射光是部分偏振性的，這種現(xiàn)象稱為退偏振。13

設自然光的強度為I0

，沿x軸正向傳播，可看作沿y軸方向和z軸方向兩個振幅相等無固定位相關系的振動分