物理光學(xué)-1光的吸收色散和散射

1、2021/3/111 一、光的吸收一、光的吸收 一般吸收：吸收很少，并且在某一給定波段內(nèi)幾乎是不一般吸收：吸收很少，并且在某一給定波段內(nèi)幾乎是不 變的；變的；可見光（石英）可見光（石英） 選擇吸收：吸收很多，并且隨波長(zhǎng)而劇烈地變化。選擇吸收：吸收很多，并且隨波長(zhǎng)而劇烈地變化。 紅外光紅外光（3.55.0m） 任一物質(zhì)對(duì)光的吸收都由這兩種吸收組成。任一物質(zhì)對(duì)光的吸收都由這兩種吸收組成。 1.9 光的吸收、色散和散射 2021/3/112 吸收定律吸收定律 0 l II e dIIdx 為為吸收系數(shù)吸收系數(shù) 0 0 Il I dI dx I dI dx I - 布格爾定律或朗伯定律布格爾定律或朗伯

2、定律 dx dII- dxx I x 0 I x l 01234 0 0.5 1 1 2.479 10 3 I z( ) 40z 光在均勻介質(zhì)中傳播，經(jīng)過薄層光在均勻介質(zhì)中傳播，經(jīng)過薄層 dx 后，后， 由于介質(zhì)的吸收，光強(qiáng)從由于介質(zhì)的吸收，光強(qiáng)從 I 減少到減少到 (I - dI) 。朗伯朗伯總結(jié)了大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果指總結(jié)了大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果指 出出,dI / I 應(yīng)與吸收層厚度應(yīng)與吸收層厚度 dx成正比成正比 2021/3/113 稀溶液中稀溶液中 溶液的溶液的吸收系數(shù)與濃度有關(guān)吸收系數(shù)與濃度有關(guān), ,比爾比爾在在1852年指出年指出, ,溶溶 液的吸收系數(shù)與其濃度液的吸收系數(shù)與其濃度 c 成正比

3、成正比, , = C 是與濃度無關(guān)的常數(shù) 在溶液中的光強(qiáng)衰減規(guī)律為在溶液中的光強(qiáng)衰減規(guī)律為 0 expIICz 該式即為該式即為比爾定律比爾定律。 各種物質(zhì)的吸收系數(shù)的差別是很大。 對(duì)可見光，對(duì)可見光， 16 10 cm 12 10 cm 金屬金屬 玻璃玻璃空氣空氣 15 10 cm 2021/3/114 大多數(shù)物質(zhì)的吸收具有波長(zhǎng)選擇性，對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，物 質(zhì)的吸收吸收不同。吸收選擇性可以用吸收系數(shù)和波長(zhǎng)的關(guān) 系曲線表示 2.吸收的波長(zhǎng)選擇性吸收的波長(zhǎng)選擇性 對(duì)于液體和固體，吸收帶都比較寬，而對(duì)于氣體則比較窄，通常只有103nm 量級(jí)。 2021/3/115 當(dāng)白光射到紅玻璃上時(shí)，只有紅光能

4、夠透過，我們當(dāng)白光射到紅玻璃上時(shí)，只有紅光能夠透過，我們 看到它呈看到它呈紅色紅色。如果紅玻璃用綠光照射，玻璃看起。如果紅玻璃用綠光照射，玻璃看起 來將是來將是黑色黑色。 例如，在可見光范圍內(nèi)，一般的光學(xué)玻璃吸收都較例如，在可見光范圍內(nèi)，一般的光學(xué)玻璃吸收都較 小，且不隨波長(zhǎng)變化，小，且不隨波長(zhǎng)變化，屬一般性屬一般性吸收，而有色玻璃吸收，而有色玻璃 則具有則具有選擇性選擇性吸收。吸收。 2.吸收的波長(zhǎng)選擇性吸收的波長(zhǎng)選擇性 2021/3/116 普通光學(xué)材料在可見光區(qū)都是相當(dāng)透明的，它們對(duì)各普通光學(xué)材料在可見光區(qū)都是相當(dāng)透明的，它們對(duì)各 種波長(zhǎng)的種波長(zhǎng)的可見光都吸收很少可見光都吸收很少。但是在

5、紫外和紅外光區(qū)。但是在紫外和紅外光區(qū), , 它們則表現(xiàn)出不同的選擇性吸收。它們則表現(xiàn)出不同的選擇性吸收。 在制造光學(xué)儀器時(shí)在制造光學(xué)儀器時(shí), , 必須考慮光學(xué)材料的吸收特性。必須考慮光學(xué)材料的吸收特性。 例如，紫外光譜儀中的棱鏡、透鏡需用例如，紫外光譜儀中的棱鏡、透鏡需用石英石英制作制作, ,而而 紅外光譜儀中的棱鏡、透鏡則需用紅外光譜儀中的棱鏡、透鏡則需用螢石螢石等晶體制作。等晶體制作。 2021/3/117 幾種光學(xué)材料的幾種光學(xué)材料的透光波段透光波段 光學(xué)材料光學(xué)材料波長(zhǎng)范圍波長(zhǎng)范圍 /nm 光學(xué)材料光學(xué)材料波長(zhǎng)范圍波長(zhǎng)范圍 /nm 冕牌玻璃冕牌玻璃 3502000 螢石螢石 (GaF2

6、) 1259500 火石玻璃火石玻璃 3802500 巖鹽巖鹽 (NaCl) 17514500 石英玻璃石英玻璃 1804000 氯化鉀氯化鉀 (KCl) 18023000 2021/3/118 應(yīng)當(dāng)指出，盡管朗伯定律總是成立，但比爾定律的應(yīng)當(dāng)指出，盡管朗伯定律總是成立，但比爾定律的 成立卻是有成立卻是有條件的條件的：只有在物質(zhì)分子的吸收本領(lǐng)不：只有在物質(zhì)分子的吸收本領(lǐng)不 受它周圍鄰近分子的影響時(shí)，比爾定律才正確。受它周圍鄰近分子的影響時(shí)，比爾定律才正確。 O HH O HH O HH 當(dāng)濃度很大，分子間的當(dāng)濃度很大，分子間的相互作用相互作用不可忽略時(shí)不可忽略時(shí), 比爾定比爾定 律不成立。律不

7、成立。 2021/3/119 吸收光譜吸收光譜 (Absorption spectrum) 介質(zhì)的吸收系數(shù)及隨光波長(zhǎng)的變化關(guān)系曲線稱為該介介質(zhì)的吸收系數(shù)及隨光波長(zhǎng)的變化關(guān)系曲線稱為該介 質(zhì)的質(zhì)的吸收光譜吸收光譜。 光源光源 吸收物質(zhì)吸收物質(zhì)分光儀分光儀 使一束連續(xù)光譜的光通過有選擇性吸收的介質(zhì)，再通使一束連續(xù)光譜的光通過有選擇性吸收的介質(zhì)，再通 過分光儀，即可測(cè)出在某些波段上或某些波長(zhǎng)上的光過分光儀，即可測(cè)出在某些波段上或某些波長(zhǎng)上的光 被吸收，被吸收，形成吸收光譜形成吸收光譜。 2021/3/1110 氣體吸收光譜的氣體吸收光譜的特點(diǎn)特點(diǎn)是：吸收光譜是清晰、狹窄的吸是：吸收光譜是清晰、狹窄的

8、吸 收線收線, 吸收線的位置正好是該氣體發(fā)射光譜線的位置。吸收線的位置正好是該氣體發(fā)射光譜線的位置。 598.59 588.99 330.29 330.23 285.30 285.28 /nm 吸收光譜吸收光譜 (Absorption spectrum) 對(duì)于對(duì)于單原子氣體單原子氣體, 這種狹窄吸收線的特點(diǎn)更為明顯這種狹窄吸收線的特點(diǎn)更為明顯. 例例 如氦、氖等惰性氣體及鈉等堿金屬蒸氣的吸收光譜。如氦、氖等惰性氣體及鈉等堿金屬蒸氣的吸收光譜。 2021/3/1111 氣體吸收的另一個(gè)主要特點(diǎn)是吸收和氣體的氣體吸收的另一個(gè)主要特點(diǎn)是吸收和氣體的壓力、壓力、 溫度、密度溫度、密度有關(guān)，一般是氣體密

9、度愈大，它對(duì)光的有關(guān)，一般是氣體密度愈大，它對(duì)光的 吸收愈嚴(yán)重。吸收愈嚴(yán)重。 由于這種吸收帶特征決定于組成氣體的分子，它反由于這種吸收帶特征決定于組成氣體的分子，它反 映了分子的特性，所以可由吸收光譜研究映了分子的特性，所以可由吸收光譜研究氣體分子氣體分子 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。 吸收光譜吸收光譜 (Absorption spectrum) 2021/3/1112 對(duì)于固體和液體，它們對(duì)光吸收的特點(diǎn)主要是具有對(duì)于固體和液體，它們對(duì)光吸收的特點(diǎn)主要是具有 很寬的吸收帶很寬的吸收帶。固體材料的吸收系數(shù)主要是隨入射。固體材料的吸收系數(shù)主要是隨入射 光波長(zhǎng)變化，其它因素的影響較小。光波長(zhǎng)變化，其它因素的影響較

10、小。 吸收光譜吸收光譜 (Absorption spectrum) 激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)YAG的吸收光譜的吸收光譜 /nm 1.00 0.660.50 0.40 0.330.28 0.25 2021/3/1113 對(duì)一種材料吸收光譜的測(cè)量，是了解該材料特性的對(duì)一種材料吸收光譜的測(cè)量，是了解該材料特性的重重 要手段要手段。例如。例如, , 地球大氣對(duì)可見光、紫外光是透明的地球大氣對(duì)可見光、紫外光是透明的, , 但對(duì)紅外光的某些波段有吸收。但對(duì)紅外光的某些波段有吸收。 透明的波段稱為透明的波段稱為“大氣窗口大氣窗口”, 充分地研究大氣的光充分地研究大氣的光 學(xué)性質(zhì)與學(xué)性質(zhì)與“窗口窗口”的關(guān)系的

11、關(guān)系, ,有助于有助于紅外導(dǎo)航、跟蹤紅外導(dǎo)航、跟蹤等等 工作的進(jìn)行。工作的進(jìn)行。 吸收光譜吸收光譜 (Absorption spectrum) 2021/3/1114 0 20 40 60 80 100 0.720.94 1.13 1.381.90 2.7 4.3 6.0 15.0 /m 透過率透過率/ % 如圖所示，波段從如圖所示，波段從 1m 到到 15m 有有七個(gè)七個(gè)“窗口窗口”。 吸收光譜吸收光譜 (Absorption spectrum) 2021/3/1115 吸收光譜吸收光譜 (Absorption spectrum) 地球周圍是厚達(dá)約地球周圍是厚達(dá)約 1000 公里公里的大氣層

12、。大氣層由的大氣層。大氣層由 氮、氧、二氧化碳、臭氧及其它稀有氣體和水氣、氮、氧、二氧化碳、臭氧及其它稀有氣體和水氣、 塵埃組成。塵埃組成。 2021/3/1116 較強(qiáng)的較強(qiáng)的水汽吸收水汽吸收帶位于帶位于: : 0.71 0.735m, 0.81 0.84m, 0.89 0.99m, 1.07 1.20m, 1.3 1.5m, 1.7 2.0m, 2.4 3 .3m, 4.8 8.0m。 吸收光譜吸收光譜 (Absorption spectrum) 二氧化碳吸收二氧化碳吸收帶位于帶位于: 13.5 17m。 臭氧吸收帶臭氧吸收帶位于位于: 9.5m 附近附近。 2021/3/1117 由于太

13、陽四周大氣中的不同元素吸收不同波長(zhǎng)的輻由于太陽四周大氣中的不同元素吸收不同波長(zhǎng)的輻 射射, ,因而在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)出因而在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)出一條條黑的吸收一條條黑的吸收 線線, ,如圖所示。如圖所示。 ABCDEFGH 400500600700 夫朗和費(fèi)夫朗和費(fèi)首先發(fā)現(xiàn)首先發(fā)現(xiàn), ,并以字母標(biāo)志了主要的吸收線。并以字母標(biāo)志了主要的吸收線。 吸收光譜吸收光譜 (Absorption spectrum) 2021/3/1118 符號(hào)符號(hào)波長(zhǎng)波長(zhǎng)/nm吸收元素吸收元素符號(hào)符號(hào)波長(zhǎng)波長(zhǎng)/nm 吸收元素吸收元素 A B C D1 D2 D3 E3 759.4762.1 636.8688.4 6

14、56.282 589.592 588.995 587.552 526.954 O O H Na Na He Fe E1 F G G H K 518.362 486.133 430.791 430.774 466.273 396.849 393.368 Mg H Fe Ca Ca Ca Ca 吸收光譜吸收光譜 (Absorption spectrum) 它們的波長(zhǎng)及太陽大氣中存在的相應(yīng)吸收元素的關(guān)系如下：它們的波長(zhǎng)及太陽大氣中存在的相應(yīng)吸收元素的關(guān)系如下： 2021/3/1119 光的色散效應(yīng)是一種光在介質(zhì)中傳播時(shí)，其折射率隨光的色散效應(yīng)是一種光在介質(zhì)中傳播時(shí)，其折射率隨 頻率（或波長(zhǎng)）而變化的

15、現(xiàn)象。頻率（或波長(zhǎng)）而變化的現(xiàn)象。 二、光的色散二、光的色散 2021/3/1120 正常色散曲線正常色散曲線 正常色散正常色散: :在物質(zhì)透明區(qū)內(nèi)，它隨著光波長(zhǎng)的增在物質(zhì)透明區(qū)內(nèi)，它隨著光波長(zhǎng)的增 大折射率減小且色散曲線是單調(diào)下降的。大折射率減小且色散曲線是單調(diào)下降的。 此現(xiàn)此現(xiàn) 象由柯西象由柯西(Cauchy)(Cauchy)色散公式來描述。色散公式來描述。 42 cb n 2021/3/1121 反常色散：發(fā)生在物質(zhì)吸收區(qū)內(nèi)，它隨光波長(zhǎng)增加而折射反常色散：發(fā)生在物質(zhì)吸收區(qū)內(nèi)，它隨光波長(zhǎng)增加而折射 率增加率增加, ,經(jīng)驗(yàn)公式為塞耳邁耳方程經(jīng)驗(yàn)公式為塞耳邁耳方程: : 2 2 22 0 1

16、b n 2021/3/1122 三、光的散射光的散射 (Scattering of light) 光束通過不均勻介質(zhì)所產(chǎn)生的偏離原來傳播方向光束通過不均勻介質(zhì)所產(chǎn)生的偏離原來傳播方向, 向四周散射的現(xiàn)象向四周散射的現(xiàn)象 2021/3/1123 根據(jù)散射光的波矢根據(jù)散射光的波矢K 和波長(zhǎng)的變化與否，將散射分和波長(zhǎng)的變化與否，將散射分 為為兩大類兩大類： 光的散射現(xiàn)象光的散射現(xiàn)象 (Scattering phenomena of light) 一類散射是散射一類散射是散射光波矢光波矢 K 變化，但波長(zhǎng)不變化變化，但波長(zhǎng)不變化( (瑞瑞 利散射，米氏散射和分子散射利散射，米氏散射和分子散射) )；

17、另一類是散射另一類是散射光波矢光波矢 K 和波長(zhǎng)均變化和波長(zhǎng)均變化( (喇曼散射，喇曼散射， 布里淵散射布里淵散射等等) )。 2021/3/1124 亭達(dá)爾從實(shí)驗(yàn)上總結(jié)出了一些規(guī)律，因此，這一類亭達(dá)爾從實(shí)驗(yàn)上總結(jié)出了一些規(guī)律，因此，這一類 現(xiàn)象叫現(xiàn)象叫亭達(dá)爾效應(yīng)亭達(dá)爾效應(yīng)。這些規(guī)律其后為瑞利在理論上。這些規(guī)律其后為瑞利在理論上 說明，所以又叫說明，所以又叫瑞利散射瑞利散射。 1 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 亭達(dá)爾亭達(dá)爾等人最早對(duì)渾濁介質(zhì)的散射進(jìn)行了大量的等人最早對(duì)渾濁介質(zhì)的散射進(jìn)行了大量的 實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究, ,尤其是微粒線度比光波長(zhǎng)小尤其是微粒線度比光波長(zhǎng)

18、小, ,即不大于即不大于 (1/51/l0) 的渾濁介質(zhì)。的渾濁介質(zhì)。 2021/3/1125 瑞利散射的瑞利散射的主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)： 散射光強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)的四次方散射光強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)的四次方成反比成反比，即，即 4 1 ( )I I() 為相應(yīng)于某一觀察方向?yàn)橄鄳?yīng)于某一觀察方向(與入射光方向成與入射光方向成角角)的的 散射光強(qiáng)度。散射光強(qiáng)度。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 該式說明，該式說明，光波長(zhǎng)愈短，其散射光強(qiáng)度愈大光波長(zhǎng)愈短，其散射光強(qiáng)度愈大，由，由 此可以說明許多自然現(xiàn)象。此可以說明許多自然現(xiàn)象。 2021/3/1126 適用于散射介質(zhì)線度比光波波

19、長(zhǎng)小的情況，如果適用于散射介質(zhì)線度比光波波長(zhǎng)小的情況，如果 散射體比波長(zhǎng)大很多的塊狀散射體，則不適用散射體比波長(zhǎng)大很多的塊狀散射體，則不適用 (如大氣中的水滴如大氣中的水滴) 2021/3/1127 4 1 ( ) I 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色呢天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色呢? ?由瑞利散射定律可以看出在由瑞利散射定律可以看出在 由大氣散射的太陽光中，由大氣散射的太陽光中，短波長(zhǎng)光占優(yōu)勢(shì)短波長(zhǎng)光占優(yōu)勢(shì)。 紅光波長(zhǎng)紅光波長(zhǎng)( 720nm)為紫光波長(zhǎng)為紫光波長(zhǎng)(400nm ) 的的1.8 倍倍, ,因此紫光散射因此紫光散射強(qiáng)度約為紅光的強(qiáng)度約為紅光的(

20、1.8)410 倍倍。 2021/3/1128 太陽散射光在大氣層內(nèi)層太陽散射光在大氣層內(nèi)層, ,藍(lán)色的成分比紅色多藍(lán)色的成分比紅色多, ,使天使天 空呈蔚藍(lán)色空呈蔚藍(lán)色。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1129 為何正午的太陽基本上呈為何正午的太陽基本上呈白色白色, ,而旭日和夕陽卻呈而旭日和夕陽卻呈紅紅 色色? ? 正午的太陽正午的太陽 地球地球 大氣層大氣層 散射散射 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 正午太陽直射正午太陽直射, ,穿過大氣層穿過大氣層厚度最小厚度最小, 陽光中被散射掉陽光中被散射掉 的短波成分不太

21、多的短波成分不太多, , 因此基本上呈因此基本上呈白色或略帶黃橙色白色或略帶黃橙色。 2021/3/1130 早晚的陽光斜射早晚的陽光斜射, ,穿過大氣層的厚度比正午時(shí)穿過大氣層的厚度比正午時(shí)厚得多厚得多, , 大氣散射掉的短波成分大氣散射掉的短波成分, ,透過長(zhǎng)波成分，所以透過長(zhǎng)波成分，所以旭日和旭日和 夕陽呈紅色夕陽呈紅色。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1131 紅光透過散射物的穿透力比藍(lán)光強(qiáng)，所以在拍攝薄霧紅光透過散射物的穿透力比藍(lán)光強(qiáng)，所以在拍攝薄霧 景色時(shí)，可在照相機(jī)物鏡前加上景色時(shí)，可在照相機(jī)物鏡前加上紅色濾光片紅色濾光片以獲得更以獲

22、得更 清晰的照片。清晰的照片。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1132 紅外線穿透力紅外線穿透力比可見光強(qiáng)，常被用于遠(yuǎn)距離照相或比可見光強(qiáng)，常被用于遠(yuǎn)距離照相或 遙感技術(shù)。遙感技術(shù)。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1133 散射光強(qiáng)度隨觀察方向變化。自然光入射時(shí)，散散射光強(qiáng)度隨觀察方向變化。自然光入射時(shí)，散 射光強(qiáng)射光強(qiáng) I( ) 與與 (1+cos2) 成正比成正比。 入射光方向入射光方向 觀察方向觀察方向 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2 2 ( )=I1+cos I

23、 2021/3/1134 散射光是偏振光（完全偏振光或部分偏振光）散射光是偏振光（完全偏振光或部分偏振光），該，該 偏振光的偏振度與觀察方向有關(guān)。偏振光的偏振度與觀察方向有關(guān)。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 瑞利散射光的光強(qiáng)度角分布和偏振特性起因于散射瑞利散射光的光強(qiáng)度角分布和偏振特性起因于散射 光是光是橫電磁波。橫電磁波。 自然光入射時(shí)，在入射光垂直方向上，散射光是完自然光入射時(shí)，在入射光垂直方向上，散射光是完 全偏振光；在入射光方向上，散射光認(rèn)為自然光；全偏振光；在入射光方向上，散射光認(rèn)為自然光； 在其他方向上，散射光為部分偏振光。在其他方向上，散射光為部分

24、偏振光。 2021/3/1135 自然光沿自然光沿 x 方向入射到介質(zhì)的帶電微粒方向入射到介質(zhì)的帶電微粒 e 上，上，使其使其 作受迫振動(dòng)作受迫振動(dòng)。 x z y P e 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1136 圖中的圖中的入射光可分解入射光可分解為沿為沿 y 方向和方向和 z 方向的兩個(gè)光方向的兩個(gè)光 振動(dòng)，其振幅相等，振動(dòng)，其振幅相等，AyAzA0。 x z y P e 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1137 假設(shè)考察位于假設(shè)考察位于 xey 面內(nèi)的面內(nèi)的 P 點(diǎn)，散射光方向點(diǎn)，散射光方向 eP與與

25、 入射光方向成入射光方向成 角，則其兩個(gè)光振動(dòng)分量的振幅分別角，則其兩個(gè)光振動(dòng)分量的振幅分別 為為 AzAzA0 和和 AyAycosA0cos。 x z y P e x y P Ay Ay 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1138 散射光強(qiáng)度散射光強(qiáng)度 I()為為 22 0 2 i ( )(1cos) (1cos) zy IIIA I 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 入射光方向入射光方向 觀察方向觀察方向 2021/3/1139 由于散射光兩個(gè)振動(dòng)分量的大小與散射方向有關(guān)由于散射光兩個(gè)振動(dòng)分量的大小與散射方向有關(guān), ,

26、所所 以散射光的偏振態(tài)隨散射方向不同而異以散射光的偏振態(tài)隨散射方向不同而異。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 22 0 2 i ( )(1cos) (1cos) zy IIIA I 2021/3/1140 沿著入射光方向或逆著入射光方向，散射光為沿著入射光方向或逆著入射光方向，散射光為自然光自然光； 在垂直入射光方向的在垂直入射光方向的 y 軸和軸和 z 軸上，散射光為軸上，散射光為線偏線偏 振光振光；其余方向上的散射光，均為；其余方向上的散射光，均為部分偏振光部分偏振光。 x z y P e 7.4.2 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering

27、) 2021/3/1141 2米氏散射米氏散射 (Mie scattering) 當(dāng)散射粒子的當(dāng)散射粒子的尺寸接近或大于波長(zhǎng)尺寸接近或大于波長(zhǎng)時(shí)時(shí), ,其散射規(guī)律與其散射規(guī)律與 瑞利散射不同。瑞利散射不同。 米氏米氏提出了懸浮微粒線度可與入射光波長(zhǎng)相比擬時(shí)提出了懸浮微粒線度可與入射光波長(zhǎng)相比擬時(shí) 的散射理論的散射理論，稱為米氏散射，稱為米氏散射。 2021/3/1142 米氏散射的主要特點(diǎn)是：米氏散射的主要特點(diǎn)是： 散射光強(qiáng)與偏振特性隨散射光強(qiáng)與偏振特性隨散射粒子的尺寸變化散射粒子的尺寸變化。 散射光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律是與波長(zhǎng)散射光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律是與波長(zhǎng) 的的較低冪次較低冪次 成反比成反比

28、，即，即 1 ( ) (33) n I n1，2，3。N 的具體取值取決于微粒尺寸。的具體取值取決于微粒尺寸。 2021/3/1143 散射光的散射光的偏振度隨偏振度隨 r / 的增加而減小的增加而減小, ,這里這里 r 是是 散射粒子的線度，散射粒子的線度， 是入射光波長(zhǎng)。是入射光波長(zhǎng)。 隨著懸浮微粒線度的增大，沿入射光方向的散射隨著懸浮微粒線度的增大，沿入射光方向的散射 光強(qiáng)將光強(qiáng)將大于大于逆入射光方向的散射光強(qiáng)。逆入射光方向的散射光強(qiáng)。 米氏散射米氏散射 (Mie scattering) 2021/3/1144 當(dāng)微粒線度約為當(dāng)微粒線度約為1/4波長(zhǎng)時(shí)波長(zhǎng)時(shí), ,散射光強(qiáng)角分布如圖所散射

29、光強(qiáng)角分布如圖所 示示, ,此時(shí)此時(shí) I() 在在 = 0 和和 = 處的差別尚不很明顯處的差別尚不很明顯。 z 當(dāng)微粒線度繼續(xù)增加時(shí)當(dāng)微粒線度繼續(xù)增加時(shí), ,在在 0 方向的散射光強(qiáng)明方向的散射光強(qiáng)明 顯占優(yōu)勢(shì)，并顯占優(yōu)勢(shì)，并產(chǎn)生一系列次極大值產(chǎn)生一系列次極大值。 z 米氏散射米氏散射 (Mie scattering) 2021/3/1145 小水滴在可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生的散射屬于米氏散射小水滴在可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生的散射屬于米氏散射, 其其 散射光強(qiáng)與光波長(zhǎng)關(guān)系不大散射光強(qiáng)與光波長(zhǎng)關(guān)系不大, 所以所以云霧呈現(xiàn)白色云霧呈現(xiàn)白色。 米氏散射米氏散射 (Mie scattering) 2021/3/11

30、46 分子散射分子散射 (Molecular scattering) 光在渾濁介質(zhì)中產(chǎn)生光在渾濁介質(zhì)中產(chǎn)生瑞利散射和米氏散射之外，純?nèi)鹄⑸浜兔资仙⑸渲猓?凈介質(zhì)中也產(chǎn)生散射凈介質(zhì)中也產(chǎn)生散射。 這就是在純凈這就是在純凈介質(zhì)中，因分子熱運(yùn)動(dòng)引起密度起伏介質(zhì)中，因分子熱運(yùn)動(dòng)引起密度起伏 引起介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的非均勻所產(chǎn)生光的散射引起介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的非均勻所產(chǎn)生光的散射, 稱為稱為分分 子散射子散射。 2021/3/1147 在臨界點(diǎn)時(shí)在臨界點(diǎn)時(shí)，氣體密度起伏很大，可以觀察到明顯，氣體密度起伏很大，可以觀察到明顯 的分子散射，這種現(xiàn)象稱為的分子散射，這種現(xiàn)象稱為臨界乳光臨界乳光。 由于分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生

31、的密度起伏所引起折射率不均勻由于分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的密度起伏所引起折射率不均勻 區(qū)域的線度比可見光波長(zhǎng)小很多，所以分子散射中，區(qū)域的線度比可見光波長(zhǎng)小很多，所以分子散射中， 散射光強(qiáng)與散射角的關(guān)系與瑞利散射相同散射光強(qiáng)與散射角的關(guān)系與瑞利散射相同。 3 分子散射分子散射 (Molecular scattering) 2021/3/1148 2 2 i 24 0 2(1) ( )(1+cos) n II rN n 為氣體折射率為氣體折射率, ,N0 為單位體積氣體中的分子數(shù)目為單位體積氣體中的分子數(shù)目, , r 為散射點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離，為散射點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離，Ii 為入射光強(qiáng)度。為入射光強(qiáng)度。 理想氣體對(duì)自然光的分子散射光強(qiáng)為理想氣體對(duì)自然光的分子散射光強(qiáng)為 分子散射分子散射 (Molecular scattering) 2