瑞利散射

瑞利散射

光学现象
一种光学现象,属于散射的一种情况。瑞利散射是一种物理现象,光被很小的粒子散射到不同的方向。[1]瑞利散射具有如下特点:①散射光强与波长四次方成反比。②粒子前半部和后半部的散射光通量相等,按(1+cos□□)的关系分布。③前向(□=0)和后向(□=180□)的散射光最强,都比垂直方向(□=90□、270□)强一倍。④前向和后向的散射光与入射光偏振状态相同;而垂直方向的散射光为全偏振,即其平行分量(振动方向与观测平面平行的分量,观测平面系由入射光和散射光组成的平面)为零,只存在垂直分量(图1瑞利散射的光强分布)。
  • 中文名:瑞利散射
  • 外文名:Rayleighscattering
  • 别名:
  • 表达式:
  • 提出者:
  • 适用领域:
  • 相关术语:大气散射
  • 学科分支:大气物理学

简介

瑞利散射是一种很常见光学现象,是以英国物理学家瑞利伯爵命名的。它是光的线性散射,散射中心远小于光的波长。瑞利散射光的强度和入射光波长λ的4次方成反比:

其中是入射光的光强分布函数。也就是说,波长较短的蓝光比波长较长的红光更易散射。

光学现象

(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得红光散射更明显,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。

(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

海水颜色即海面向上辐射的可见光所呈现的表观颜色,其与海水包含的物质成分密切相关:在清洁的大洋水中,悬浮颗粒少,粒径小,分子散射起着主要的作用,其散射服从瑞利散射定律,呈深蓝色(峰值的波长约为470nm)。

原理

(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

下图给出水滴的散射效率因子随尺度数α变化的曲线。

从图中可以看出,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。

应用

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。

许多科技领域显着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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