1、6.4 光的散射光的散射6.4.1 光的散射现象光的散射现象6.4.2 瑞利散射瑞利散射6.4.3 米氏散射米氏散射6.4.4 分子散射分子散射6.4.5 喇曼散射喇曼散射6.4.1 光的散射现象光的散射现象散射的概念散射的概念 当光束通过均匀的透明介质时，除传播方向外，其他当光束通过均匀的透明介质时，除传播方向外，其他方向是看不到光的。方向是看不到光的。而当光束通过混浊液体或穿过灰尘弥漫的空间时，就而当光束通过混浊液体或穿过灰尘弥漫的空间时，就可以在侧面看到光束的轨迹，即在光线传播方向以外能够可以在侧面看到光束的轨迹，即在光线传播方向以外能够接收到光能。这种接收到光能。这种光束通过不均匀介质
2、所产生的偏离原来光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向，向四周散射的现象传播方向，向四周散射的现象光的散射光的散射。所谓介质不均匀，是指气体中有随机运动的分子、原所谓介质不均匀，是指气体中有随机运动的分子、原子或烟雾、尘埃，液体中混入小微粒，晶体中存在缺陷等。子或烟雾、尘埃，液体中混入小微粒，晶体中存在缺陷等。由于光的散射是将光能散射到其它方向上，而光的吸收由于光的散射是将光能散射到其它方向上，而光的吸收则是将光能转化为其它形式的能量，从本质上说二者不同，则是将光能转化为其它形式的能量，从本质上说二者不同，但是在实际测量时，很难区分开它们对透射光强的影响。在但是在实际测量时，很难区分开它们
3、对透射光强的影响。在实际工作中通常都将这两个因素的影响考虑在一起，将透射实际工作中通常都将这两个因素的影响考虑在一起，将透射光强表示为：光强表示为：h散射系数，散射系数，K吸收系数，吸收系数，衰减系数。衰减系数。在实际测量中得到的都是在实际测量中得到的都是 。llhKIIIee0)(0 通常，根据散射光的波矢通常，根据散射光的波矢 k 和波长的变化与否，将散射和波长的变化与否，将散射分为两大类：分为两大类：一类散射是一类散射是散射光波矢散射光波矢 k 变化，但波长不变化变化，但波长不变化，属于这，属于这种散射的有瑞利散射，米氏种散射的有瑞利散射，米氏(Mie)散射和分子散射；散射和分子散射；另
4、一类是另一类是散射光波矢散射光波矢 k 和波长均变化和波长均变化，属于这种散射的，属于这种散射的有喇曼有喇曼(Raman)散射、布里渊散射、布里渊(Brillouin)散射。散射。有些有些光学不均匀性十分显著、且光在其中产生强烈散射光学不均匀性十分显著、且光在其中产生强烈散射的介质一般称为的介质一般称为“浑浊介质浑浊介质”，它是指在一种介质中悬浮有，它是指在一种介质中悬浮有另一种介质，例如含有烟、雾、水滴的大气，乳状胶液、胶另一种介质，例如含有烟、雾、水滴的大气，乳状胶液、胶状溶液等。状溶液等。亭达尔亭达尔(Tyndell)等人最早对浑浊介质的散射进行了大量等人最早对浑浊介质的散射进行了大量的
5、实验研究，并且从实验上总结出了一些规律，因此，这一的实验研究，并且从实验上总结出了一些规律，因此，这一类现象叫亭达尔效应。类现象叫亭达尔效应。瑞利进行了理论研究和说明，所以又称为瑞利进行了理论研究和说明，所以又称为瑞利散射瑞利散射微粒线度比光波长小，不大于微粒线度比光波长小，不大于(1/51/10)的粒子的散射的粒子的散射。6.4.2 瑞利散射瑞利散射 瑞利散射的瑞利散射的主要特点主要特点：散射光强度与入射光波长的四次方成反比，即：散射光强度与入射光波长的四次方成反比，即：I()为与入射光方向成为与入射光方向成 角角)的散射光强度。的散射光强度。41)(I 整个天空之所以呈现光亮整个天空之所以
6、呈现光亮，是由于大气对太阳光的散射，是由于大气对太阳光的散射，如果没有大气层，白昼的天空也将是一片漆黑。如果没有大气层，白昼的天空也将是一片漆黑。解释许多自然现象：解释许多自然现象：天空为什么呈现蓝色天空为什么呈现蓝色?由瑞利散射定律，大气散射由瑞利散射定律，大气散射的太阳光中，短波长光占优势，例如，红光波长的太阳光中，短波长光占优势，例如，红光波长(=0.72 m)为紫光波长为紫光波长(=0.4 m)的的1.8倍，因此紫光散射强度约为红光倍，因此紫光散射强度约为红光的的(1.8)410倍。所以，太阳散射光在大气层内层，蓝色的成倍。所以，太阳散射光在大气层内层，蓝色的成分比红色多，使天空呈蔚蓝
7、色。分比红色多，使天空呈蔚蓝色。为什么正午太阳基本上呈白色，旭日和夕阳却呈红色为什么正午太阳基本上呈白色，旭日和夕阳却呈红色?正午太阳直射穿过大气层厚度最小，阳光中被散射掉的短波正午太阳直射穿过大气层厚度最小，阳光中被散射掉的短波成分不太多，因此垂直透过大气层后的太阳光基本上呈白色成分不太多，因此垂直透过大气层后的太阳光基本上呈白色或略带黄橙色。早晚的阳光斜射，穿过大气层的厚度比正午或略带黄橙色。早晚的阳光斜射，穿过大气层的厚度比正午时厚得多，被大气散射掉的短波成分也多得多，仅剩下长波时厚得多，被大气散射掉的短波成分也多得多，仅剩下长波成分透过大气到达观察者，所以旭日和夕阳呈红色。成分透过大气
8、到达观察者，所以旭日和夕阳呈红色。太阳的颜色太阳的颜色 地球正午太阳正午太阳夕阳夕阳地球旭旭日日 因为红光透过散射物的穿透力比蓝光强，所以在拍摄薄因为红光透过散射物的穿透力比蓝光强，所以在拍摄薄雾景色时，可在照相机物镜前加上红色滤光片以获得更清晰雾景色时，可在照相机物镜前加上红色滤光片以获得更清晰的照片。红外线穿透力比可见光强，常被用于远距离照相或的照片。红外线穿透力比可见光强，常被用于远距离照相或遥感技术。遥感技术。散射光强随散射光强随 角的变化关系角的变化关系 瑞利散射的瑞利散射的主要特点主要特点：散射光强度随观察方向散射光强度随观察方向变化。自然光入射时，散变化。自然光入射时，散射光强射
9、光强 I()与与(1+cos2)成成正比。正比。散射光是偏振光，其偏振度与观察方向有关。散射光是偏振光，其偏振度与观察方向有关。当线偏振光照射某些气体或液体，从侧向观察时，散射当线偏振光照射某些气体或液体，从侧向观察时，散射光变成部分偏振光光变成部分偏振光退偏振退偏振6.4.3 米氏散射米氏散射1.概念概念 当散射粒子的尺寸接近或大于波长时，当散射粒子的尺寸接近或大于波长时，其散射规律与瑞其散射规律与瑞利散射不同。这种大粒子散射的理论，目前还很不完善，利散射不同。这种大粒子散射的理论，目前还很不完善，对球形导电粒子对球形导电粒子(金属的胶体溶液金属的胶体溶液)所引起的光散射，米所引起的光散射，
10、米氏进行了较全面的研究，并在氏进行了较全面的研究，并在1908年提出了悬浮微粒线度可年提出了悬浮微粒线度可与入射光波长相比拟时的散射理论。与入射光波长相比拟时的散射理论。关于大粒子的散射称为关于大粒子的散射称为米氏散射米氏散射。2.特点特点 散射光强和偏振特性随散射粒子的尺寸变化。散射光强和偏振特性随散射粒子的尺寸变化。散射光强随波长的变化规律是与波长散射光强随波长的变化规律是与波长 的较低幂次成反的较低幂次成反比，即：比，即：其中，其中，n=1,2,3。n 的具体取值取决于微粒尺寸。的具体取值取决于微粒尺寸。nI1)(散射光的偏振度随散射光的偏振度随 r/的增加而减小，这里的增加而减小，这里
11、 r 是散射粒是散射粒子的线度，子的线度，是入射光波长。是入射光波长。当散射粒子线度与光波长相近时，散射光强度对于光矢当散射粒子线度与光波长相近时，散射光强度对于光矢量振动平面的对称性被破坏，随着悬浮微粒线度的增大，沿量振动平面的对称性被破坏，随着悬浮微粒线度的增大，沿入射光方向的散射光强将大于逆入射光方向的散射光强。入射光方向的散射光强将大于逆入射光方向的散射光强。微粒线度约为微粒线度约为 1/4 波长时，散射光强角分布如图波长时，散射光强角分布如图(a)示，示，此时此时I()在在 =0和和 =处的差别尚不很明显。当微粒线度继处的差别尚不很明显。当微粒线度继续增大时，在续增大时，在 =0方向
12、的散射光强明显占优势，并产生一系方向的散射光强明显占优势，并产生一系列次极大值，如图列次极大值，如图(b)所示。所示。米氏散射光强的角分布米氏散射光强的角分布 利用米氏散射也可以解释许多自然现象。例如，利用米氏散射也可以解释许多自然现象。例如，蓝天中蓝天中飘浮着白云，飘浮着白云，是因为组成白云的小水滴线度接近或大于可见是因为组成白云的小水滴线度接近或大于可见光波长，可见光在小水滴上产生的散射属于米氏散射，其散光波长，可见光在小水滴上产生的散射属于米氏散射，其散射光强与光波长关系不大，所以云雾呈现白色。射光强与光波长关系不大，所以云雾呈现白色。6.4.4 分子散射分子散射 1.概念概念 如前所述
13、，光如前所述，光在浑浊介质中在浑浊介质中传播时，由于介质光学性质传播时，由于介质光学性质的不均匀性，将产生悬浮微粒的散射。其中，当悬浮微粒的的不均匀性，将产生悬浮微粒的散射。其中，当悬浮微粒的线度小于线度小于 1/10 波长时，称为瑞利散射；当悬浮微粒的线度接波长时，称为瑞利散射；当悬浮微粒的线度接近或大于波长时，称为米氏散射。近或大于波长时，称为米氏散射。实际上实际上在纯净介质中在纯净介质中，因分子热运动引起密度起伏、或，因分子热运动引起密度起伏、或分子各向异性引起分子取向起伏、或溶液中浓度起伏引起介分子各向异性引起分子取向起伏、或溶液中浓度起伏引起介质光学性质的非均匀而产生光的散射，称为质
14、光学性质的非均匀而产生光的散射，称为分子散射分子散射。在临界点时，气体密度起伏很大，可以观察到明显的分在临界点时，气体密度起伏很大，可以观察到明显的分子散射，这种现象称为临界乳光。子散射，这种现象称为临界乳光。2.特征特征 通常，纯净介质中由于分子热运动产生的密度起伏所引通常，纯净介质中由于分子热运动产生的密度起伏所引起折射率不均匀区域的线度比可见光波长小得多，所以分子起折射率不均匀区域的线度比可见光波长小得多，所以分子散射中，散射光强与散射角的关系与瑞利散射相同。散射中，散射光强与散射角的关系与瑞利散射相同。例如，理想气体对自然光的分子散射光强为例如，理想气体对自然光的分子散射光强为)cos
15、1()1(2)(2i40222INrnIn 为气体折射率，为气体折射率，N0 为单位体积气体中的分子数目，为单位体积气体中的分子数目，r 为散为散射点到观察点的距离，射点到观察点的距离，Ii 为入射光强度。为入射光强度。而由分子各向异性起伏产生的分子散射光强度，比密而由分子各向异性起伏产生的分子散射光强度，比密度起伏产生的分子散射光强度还要弱得多。度起伏产生的分子散射光强度还要弱得多。6.4.5 喇曼散射喇曼散射1.概念概念 一般情况下，一束准单色光入射介质时，散射光和入射一般情况下，一束准单色光入射介质时，散射光和入射光是同一频率。但是，当入射光足够强时，就能够观察到很光是同一频率。但是，当
16、入射光足够强时，就能够观察到很弱的附加分量旁带，即出现新频率分量的散射光。弱的附加分量旁带，即出现新频率分量的散射光。喇曼散射喇曼散射就是就是散射光的方向和波长相对入射光均发生变散射光的方向和波长相对入射光均发生变化的一种散射化的一种散射。1928年，印度科学家喇曼和苏联科学家曼杰利斯塔姆分年，印度科学家喇曼和苏联科学家曼杰利斯塔姆分别在研究液体和晶体散射时，几乎同时发现了散射光中除有别在研究液体和晶体散射时，几乎同时发现了散射光中除有与入射光频率与入射光频率 0相同的瑞利散射线外，在其两侧还伴有频率相同的瑞利散射线外，在其两侧还伴有频率为为 1,2,3,；1 ,2 ,3 ,的散射线存在。的散
17、射线存在。如果如图如果如图 6-16(a)所示，当用单色性较高的准单色光源所示，当用单色性较高的准单色光源照射某种气体、液体或透明晶体，在入射光的垂直方向上用照射某种气体、液体或透明晶体，在入射光的垂直方向上用光谱仪摄取散射光，就会观察到喇曼散射。光谱仪摄取散射光，就会观察到喇曼散射。观察喇曼散射的实验装置示意图观察喇曼散射的实验装置示意图 2.特征特征 在每一条原始的入射光谱线旁边都伴有散射线，长波在每一条原始的入射光谱线旁边都伴有散射线，长波长方向的散射线称为红伴线或斯托克斯线，短波长方向上的长方向的散射线称为红伴线或斯托克斯线，短波长方向上的散射线称为紫伴线或反斯托克斯线，它们和原始光的
18、频率差散射线称为紫伴线或反斯托克斯线，它们和原始光的频率差相同，只是反斯托克斯线相对斯托克斯线出现得少而弱。相同，只是反斯托克斯线相对斯托克斯线出现得少而弱。这些频率差与入射光波长无关，只与散射介质有关。这些频率差与入射光波长无关，只与散射介质有关。每种散射介质有它自己的一套频率差每种散射介质有它自己的一套频率差 1=0 1，2=0 2，3=0 3，其中有些和红外吸收的频率其中有些和红外吸收的频率相等，它们表征了散射介质的分子振动频率。相等，它们表征了散射介质的分子振动频率。从经典电磁理论的观点看，分子在光的作用下发生极从经典电磁理论的观点看，分子在光的作用下发生极化，极化率的大小因分子热运动
19、产生变化，引起介质折射化，极化率的大小因分子热运动产生变化，引起介质折射率的起伏，使光学均匀性受到破坏，从而产生光的散射。率的起伏，使光学均匀性受到破坏，从而产生光的散射。由于散射光的频率是入射光频率由于散射光的频率是入射光频率 0 0 和分子振动固有频和分子振动固有频率的联合，所以喇曼散射又叫联合散射。率的联合，所以喇曼散射又叫联合散射。设入射光电场为设入射光电场为 E=E0cos(20t)分子因电场作用产生的感应电偶极矩为分子因电场作用产生的感应电偶极矩为 P=0 E 式中，式中，为分子极化率。若为分子极化率。若 为不随时间变化的常数，则为不随时间变化的常数，则P 以以入射光频率入射光频率
20、 0作周期性变化，由此得到的散射光频率也为作周期性变化，由此得到的散射光频率也为 0，这就是瑞利散射。若分子以固有频率这就是瑞利散射。若分子以固有频率 振动，则分子极化率振动，则分子极化率不再为常数，也随不再为常数，也随 作周期变化，可表示为作周期变化，可表示为:vt2cos0)(2cos)(2cos212cos2cos2cos2cos000000000000000ttEtEttEtEP式中，式中，0为分子静止时的极化率；为分子静止时的极化率；为相应于分子振动所引为相应于分子振动所引起的变化极化率的振幅。将此式代入起的变化极化率的振幅。将此式代入(6.4-12)式，得式，得:上式表明，感应电偶
21、极矩上式表明，感应电偶极矩 P P 的频率有三种：的频率有三种：0 0,0 0 ，所以散射光的频率也有三种。，所以散射光的频率也有三种。频率为频率为 0 0 的谱线为瑞利散射线；的谱线为瑞利散射线；频率为频率为 0 0-的谱线称为喇曼红伴线，又称为斯托克斯线；的谱线称为喇曼红伴线，又称为斯托克斯线；频率为频率为 0 0+0 0的谱线称为喇曼紫伴线，又称反斯托克斯线。的谱线称为喇曼紫伴线，又称反斯托克斯线。若分子的固有频率不只一个，有若分子的固有频率不只一个，有 1 1,2 2,，则喇曼则喇曼散射线中也将产生频率为散射线中也将产生频率为 0 0 1 1,0 0 2 2,0 0 3 3 等谱线。等
22、谱线。实验发现，反斯托克斯线出现得少，且强度很弱，利用经典实验发现，反斯托克斯线出现得少，且强度很弱，利用经典电子理论无法解释这种现象，这也正是喇曼散射经典理论的电子理论无法解释这种现象，这也正是喇曼散射经典理论的不完善之处，只有量子理论才能对喇曼散射作出圆满的解释。不完善之处，只有量子理论才能对喇曼散射作出圆满的解释。由于喇曼散射光的频率与分子的振动频率有关，所以喇由于喇曼散射光的频率与分子的振动频率有关，所以喇曼散射是研究分子结构的重要手段，利用这种方法可以确定曼散射是研究分子结构的重要手段，利用这种方法可以确定分子的固有频率，研究分子对称性及分子动力学等问题。分分子的固有频率，研究分子对
23、称性及分子动力学等问题。分子光谱属于红外波段，一般都采用红外吸收法进行研究。而子光谱属于红外波段，一般都采用红外吸收法进行研究。而利用喇曼散射法的优点是将分子光谱转移到可见光范围进行利用喇曼散射法的优点是将分子光谱转移到可见光范围进行观察、研究，可与红外吸收法互相补充。观察、研究，可与红外吸收法互相补充。随着激光的出现，利用激光器作光源进行的喇曼散射光随着激光的出现，利用激光器作光源进行的喇曼散射光谱研究，由于其喇曼散射谱中的瑞利线很细，其两侧频率差谱研究，由于其喇曼散射谱中的瑞利线很细，其两侧频率差很小的喇曼散射线也清晰可见，因此，使得分子光谱的研究很小的喇曼散射线也清晰可见，因此，使得分子光谱的研究更加精密。特别是当激光强度增大到一定程度时，出现受激更加精密。特别是当激光强度增大到一定程度时，出现受激喇曼散射效应，而由于受激喇曼散射光具有很高的空间相干喇曼散射效应，而由于受激喇曼散射光具有很高的空间相干性和时间相干性，强度也大得多，所以在研究生物分子结构，性和时间相干性，强度也大得多，所以在研究生物分子结构，测量大气污染等领域内获得了广泛的应用。相对于这种受激测量大气污染等领域内获得了广泛的应用。相对于这种受激喇曼散射而言，通常将上述的喇曼散射叫自发喇曼散射。喇曼散射而言，通常将上述的喇曼散射叫自发喇曼散射。
