光的散射现象分析与实验.pdfVIP

第四届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集 光的散射现象分析与实验 陆先升 (安徽省凤阳师范高等专科学校，安徽233100) 蓝色的天空往往是诗人想象驰骋的园地，初升的红日也常常是作家笔下“青春”的喻体。 而日中的太阳却羞涩于无夕阳红日的魅力，也恨无一片蓝天相印而懊恼。你知道这是为什么 吗?原来是光的散射现象而引起的。 l、光的散射现象的分析 当光在均匀介质中传播时，介质中的偶极子每一时刻都在波面上各点产生子波，而这些 子波的相干叠加，消去了除直线传播方向以外的所有光振动，因此只有直线传播方向上才有 光传播。如果介质中散布着线度在10母一lO’3m的微粒或微滴，在其上产生的子波破坏了原 来的相干条件。使直线传播方向以外其他方向上仍有不能完全消除的光振动。也即在光的传 播途径中，光波遇到了其线度小于波长的较小微粒或由于媒质本身的非均匀性(密度涨落) 而向四外散开的现象，叫做光的散射。分析光的散射现象可以很好的解释蓝天、红日、白云 等大自然景象。 让光源s发出的强白光束射到装满纯净水的长方形玻璃容器中，如图(1)所示， S × 图(1) 从侧面沿Z方向观察看不到这束光。这是因为光通过光学均匀介质时，介质中偶极子发 出的子波具有与入射光相同的频率，并且这些偶极予在其波面上各点产生的子波相干叠加 后，消去了除直线传播方向外的所有光振动，因此光在均匀介中传播时不发生散射。当我们 向玻璃容器的纯净水中滴儿滴新鲜牛奶使之浑浊时，再从正侧面即z方向观察容器中水呈现 淡蓝色。这是因为容器中物质的光学均匀性被破坏，大量牛乳微粒作无规则的布朗运动，从 而引起介质的局部密度与平均密度出现统计性偏离，即密度起伏。致使波长较长的红光和橙 光很容易绕过这些微粒，继续沿着原来的传播方向向前传播。而波长较短的紫光和蓝光，射 到这些微粒后则向各个方向散开，其中一部分从侧面散射出来，因此从侧面观察水呈淡蓝色。 如果逆着光线传播的方向即沿x轴方向观察水呈红橙色。由于透射光中缺少了波长较短的紫 光和蓝光，所以看到的就是波长较长的红光和橙光，透过浑浊液体到达白色光屏，并呈现红 橙色光斑。这种散射实际上不光是光至悬浮微粒引起瑞利散射，还有一部分是液体分子自身 密度涨落引起的分子散射。所以，瑞利认为由于分子质点的无规则热运动打破了分子间固定 的位置关系，使介质分子所发出的子波不再相干，因而产生了旁向散射。按电磁理论，每个 子波的振幅是和它的频率V平方成正比，而每个子波的光强义和它的振幅的平方成正比，因 而叠加这些子波的光强得到总散射光强和频率的四次方成正比。或和波长的四次方成反比。 如果光源中强度按波长的分布崩函数f(入广表示，则在散射光中光强1分布取函数f(天)4。 4 即 I∞u 或Ioc入。4，它对任何小于光波波长的微粒引起的散射都适用，而且散射 一178— 第四届今国高等学校物理实验教学研讨会论文集 光的波长与原入射光的波长相同。当散射粒子的线度大于光波波长时，即人粒子散射微粒内 各点入射光位相的参差便不可忽略，散射光强与波长不再遵守瑞利关系。即波长的幂次将降 低于4。 由此可见，在瑞利散射中短波t与优势，所以观察白光散射时偏监色，透射光中因缺少短 波成分而偏红色。如红光波长是7200，紫光波长：是4000，红光波长是紫光波艮的1．8倍， 的10倍多。 根据瑞利散射原理，就能很好的解释蓝天、夕阳、红日的大自然景像。 早晨，旭日东升或傍晚夕阳西下时，迎面观察太阳星红色，而背着太阳观察天空里蓝色。因 为早晨和傍晚，太阳光以很大的倾角几乎平行于地面入射，穿过的大气层最厚，如图(2)所示， 所有波长较短的紫光、蓝色、黄光等几乎都朝侧向散射，仅剩下波长较长的红光和橙光剑达 观察者的眼帘。同时近地面空气中有大量尘埃(使散射作用更强)。所以我们迎面观看旭日 和夕阳总呈现红色(此时天空云块也因被阳光照射而染红)，而背着太阳仰观天空仍呈蓝色。 图(2) 正午时，太阳穿过的大气