簡介
瑞利散射是一種很常見光學現象,是以英國物理學家瑞利伯爵命名的。它是光的線性散射,散射中心遠小于光的波長。瑞利散射光的強度和入射光波長λ的4次方成反比:
其中是入射光的光強分布函數。也就是說,波長較短的藍光比波長較長的紅光更易散射。
光學現象
(1)天空的顔色
由于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,藍色光被散射至彌漫天空,天空即呈現蔚藍色。
另外,由于大氣密度随高度急劇降低,大氣分子的散射效應相應減弱,天空的顔色也随高度由蔚藍色變為青色(約8公裡)、暗青色(約11公裡)、暗紫色(約13公裡)、黑紫色(約21公裡),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。
(2)晚霞的顔色
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,隻剩下紅橙色的光,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)海水的顔色
海水顔色即海面向上輻射的可見光所呈現的表觀顔色,其與海水包含的物質成分密切相關:在清潔的大洋水中,懸浮顆粒少,粒徑小,分子散射起着主要的作用,其散射服從瑞利散射定律,呈深藍色(峰值的波長約為470nm)。
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)比例的函數,連同許多其它因子,像極化、角度、以及相幹性等等。因此常引用無量綱尺度數α=2πr/λ作為判别标準:
當α遠小于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随尺度數α變化的曲線。
從圖中可以看出,當α很接近0時,散射效率因子随α增長很快,這是瑞利散射的特征。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的加大意味着波長λ的減小。
散射效率因子随着α的增長表明了較短波長的光散射比較長波長的強。
應用
一個完美控制的激光束能夠準确地散射于一個微粒,産生出命定性的結果。這樣的狀況也會發生于雷達散射,目标大多數是宏觀物體,像飛機或火箭。