瑞利散射

瑞利散射

一種光學現象,屬於散射的一種情況。又稱“分子散射”。粒子尺度遠小於入射光波長時(小于波長的十分之一),其各方向上的散射光強度是不一樣的,該強度與入射光的波長四次方成反比,這種現象稱為瑞利散射。

基本介紹

  • 中文名:瑞利散射
  • 外文名:Rayleighscattering
  • 相關術語:大氣散射
  • 學科分支:大氣物理學
描述,光學現象,原理,套用,

描述

瑞利散射規律是由英國物理學家瑞利勳爵(Lord Rayleigh)於1900年發現的,因此得名。
為了要符合瑞利散射的要求,微粒的直徑必須遠小於入射波的波長,通常上界大約是波長的1/10(1-300 nm),此時散射光線的強度與入射光線波長的四次方成反比,也就是說,波長愈短,散射愈強。
另外,散射的光線在光線前進方向和反方向上的程度是相同的,而在與入射光線垂直的方向上程度最低(如名片圖)。

光學現象

(1)天空的顏色
由於瑞利散射的強度與波長四次方成反比,所以太陽光譜中波長較短的藍紫光比波長較長得紅光散射更明顯,而短波中又以藍光能量最大,所以在雨過天晴或秋高氣爽時(空中較粗微粒比較少,以分子散射為主),在大氣分子的強烈散射作用下,藍色光被散射至瀰漫天空,天空即呈現蔚藍色。
另外,由於大氣密度隨高度急劇降低,大氣分子的散射效應相應減弱,天空的顏色也隨高度由蔚藍色變為青色(約 8 公里)、暗青色(約 11 公里)、 暗紫色(約 13 公里)、黑紫色(約 21 公里),再往上,空氣非常稀薄,大氣分子的散射效應極其微弱,天空便為黑暗所湮沒。可以說,瑞利散射的結果,減弱了太陽投射到地表的能量。
瑞利散射
瑞利散射
(2)晚霞的顏色
當日落或日出時,太陽幾乎在我們視線的正前方,此時太陽光在大氣中要走相對很長的路程,我們所看到的直射光中的波長較短藍光大量都被散射了,只剩下紅橙色的光,這就是為什麼日落時太陽附近呈現紅色,而雲也因為反射太陽光而呈現紅色,但天空仍然是藍色的。
(3)海水的顏色
水對可見光中紅光的吸收稍強於藍光,所以少量水呈現無色,大量水呈現藍色(可以理解為水其實是有著非常非常淡藍色的液體),在水中尺度較大的微粒的反射下使得海水看上去呈現較深的藍色,這是海水顏色的主要成因。同時在清潔的大洋水中,因為懸浮顆粒少,粒徑小,分子散射也起著一定作用,其散射服從瑞利散射定律,對海水的藍色也有一定的貢獻作用。

原理

(1)尺度數α
散射的程度變化是粒子半徑(r)與輻射波長(λ)比例的函式,連同許多其它因子,像極化、角度、以及相干性等等。因此常引用無量綱尺度數α = 2πr/λ作為判別標準:
當α遠小於0.1時,可用瑞利散射;
當α≥0.1 時, 需用米散射;
當α>50 時, 可用幾何光學
(2)變化規律
下圖給出水滴的散射效率因子隨尺度數α變化的曲線。
瑞利散射
從圖中可以看出,當α很接近0時,散射效率因子隨α增長很快,這是瑞利散射的特徵。對一同一類散射粒子(例如空氣分子),因為半徑r是固定的,則α的加大意味著波長λ的減小。
散射效率因子隨著α的增長表明了較短波長的光散射比較長波長的強。
瑞利散射

套用

一個完美控制的雷射束能夠準確地散射於一個微粒,產生出命定性的結果。這樣的狀況也會發生於雷達散射,目標大多數是巨觀物體,像飛機或火箭。
許多科技領域顯著地套用到散射和散射理論。例如,超音波檢查半導體晶片檢驗、聚合過程監視、電腦成像等等。

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