光的散射應用
光的散射現象在各個科學技術部門中有廣泛應用。通過散射光的測量可以了解到散射粒子的濃度、大小、形狀及取向等,在物理、化學、氣象等許多方面的研究中得到應用。散射光譜又可用于確定物質分子與原子的特性。近年來利用強激光可獲得受激光散射,更便于進行這種研究與應用。
引起光散射的原因:
是由于媒質中存在著其他物質的微粒,或者由于媒質本身密度的不均勻性(即密度漲落)。
光的散射分為兩類:
a.廷德爾散射[1]
顆粒渾濁媒質(顆粒線度和光的波長差不多)的散射,散射光的強度和入射光的波長的關系不明顯,散射光的波長和入射光的波長相同。
b.分子散射
光通過純凈媒質時,由于構成該媒質的分子密度漲落而被散射的現象。分子散射的光強度和入射光的波長有關,但散射光的波長仍和入射光相同。
光通過不均勻介質時部分光偏離原方向傳播的現象。偏離原方向的光稱散射光,散射光一般為偏振光(線偏振光或部分偏振光,見光的偏振)。散射光的波長不發生變化的有廷德耳散射、分子散射等,散射光波長發生改變的有拉曼散射、布里淵散射和康普頓散射等。廷德耳散射由英國物理學家J.廷德耳首先研究,是由均勻介質中的懸浮粒子引起的散射,如空氣中的煙、霧、塵埃,以及浮濁液、膠體等引起的散射均屬此類。真溶液不會產生廷德耳散射,故化學中常根據有無廷德耳散射來區別膠體和真溶液。分子散射是由于物質分子的熱運動造成的密度漲落而引起的散射,例如純凈氣體或液體中發生的微弱散射。
產生光散射的原因
介質中存在大量不均勻小區域是產生光散射的原因,有光入射時,每個小區域成為散射中心,向四面八方發出同頻率的次波,這些次波間無固定相位關系,它們在某方向上的非相干疊加形成了該方向上的散射光。J.W.S.瑞利研究了線度比波長要小的微粒所引起的散射,并于1871年提出了瑞利散射定律:特定方向上的散射光強度與波長λ的四次方成反比;一定波長的散射光強與(1+cosθ)成正比,θ為散射光與入射光間的夾角,稱散射角。凡遵守上述規律的散射稱為瑞利散射。根據瑞利散射定律可解釋天空和大海的蔚藍色和夕陽的橙紅色。
對線度比波長大的微粒,散射規律不再遵守瑞利定律,散射光強與微粒大小和形狀有復雜的關系。G.米和P.J.W.德拜分別于1908年和1909年以球形粒子為模型詳細計算了對電磁波的散射,米氏散射理論表明,只有當球形粒子的半徑a<0.3λ/2π時,瑞利的散射規律才是正確的,a較大時,散射光強與波長的關系就不十分明顯了。因此,用白光照射由大顆粒組成的散射物質時(如天空的云等),散射光仍為白光。氣體液化時,在臨界狀態附近,密度漲落的微小區域變得比光波波長要大,類似于大粒子,由大粒子產生的強烈散射使原來透明的物質變混濁,稱為臨界乳光。
波長發生改變的散射與構成物質的原子或分子本身的微觀結構有關,通過對散射光譜的研究可了解原子或分子的結構特性。
波長較短的光容易被散射,波長較長的光不容易被散射。