光的散射教学幻灯片
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I()14 (28)
红光波长( ＝720nm)为紫光波长(＝400nm ) 的1.8
倍,因此紫光散射强度约为红光的(1.8)4≈10 倍。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 太阳散射光在大气层内层,蓝色的成分比红色多,使天 空呈蔚蓝色。
2020/10/18
2020/10/18
7.4.5 喇曼散射 (Raman scattering)
1928年,印度科学家喇曼发现了散射光中除有与入射 光频率 v0 相同的瑞利散射线外，在其两侧还伴有频
率为 vl，v2，v3…，v1，v2，v3… 的散射线存在。
2020/10/18
v3 v2 v1 v0 v1 v2 v3
瑞利散射光的光强度角分布和偏振特性起因于散射 光是横电磁波。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering)
自然光沿 x 方向入射到介质的带电微粒 e 上，使其 作受迫振动。
y
z
2020/10/18
P
e
x
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering)
(1/5～1/l0) 的浑浊介质。
亭达尔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。这些规律其后为瑞利在理论上 说明，所以又叫瑞利散射。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 瑞利散射的主要特点： ①散射光强度与入射光波长的四次方成反比，即
I()IzIy A02(1cos2) Ii(1cos2) (29)
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering)
沿着入射光方向或逆着入射光方向，散射光为自然光； 在垂直入射光方向的 y 轴和 z 轴上，散射光为线偏振 光；其余方向上的散射光，均为部分偏振光。
y
2020/10/18
7.4.3 米氏散射 (Mie scattering) 当微粒线度约为1/4波长时,散射光强角分布如图所
示,此时 I() 在 = 0 和 = 处的差别尚不很明显。
z
当微粒线度继续增加时,在 ＝0 方向的散射光强明显
占优势，并产生一系列次极大值。
z
2020/10/18
7.4.3 米氏散射 (Mie scattering) 小水滴在可见光范围内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。
②散射光强随波长的变化规律是与波长 的较低幂次
成反比，即
I()1n (33)
n＝1，2，3。N 的具体取值取决于微粒尺寸。
2020/10/18
7.4.3 米氏散射 (Mie scattering)
③散射光的偏振度随 r / 的增加而减小,这里 r 是 散射粒子的线度， 是入射光波长。
④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。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 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 清晰的照片。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 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。
I() 1 (28) 4
I() 为相应于某一观察方向(与入射光方向成角)的
散射光强度。该式说明，光波长愈短，其散射光强 度愈大，由此可以说明许多自然现象。
2020/10/18
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 天空为什么呈现蓝色呢?由瑞利散射定律可以看出在 由大气散射的太阳光中，短波长光占优势。
(3 4 )
n 为气体折射率,N0 为单位体积气体中的分子数目, r 为散射点到观察点的距离，Ii 为入射光强度。
2020/10/18
7.4.5 喇曼散射 (Raman scattering) 瑞利散射、米氏散射和分子散射中散射光的方向改 变，而波长不改变，即散射光和入射光是同一频率。
喇曼散射和布里渊散射是散射光的方向和波长相对 入射光均发生变化的一种散射。
图中的入射光可分解为沿 y 方向和 z 方向的两个光振 动，其振幅相等，Ay＝Az＝A0。
y
z
2020/10/18
P
e
x
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering)
假设考察位于 xey 面内的 P 点，散射光方向 eP与入
射光方向成 角，则其两个光振动分量的振幅分别为
Az＝Az＝A0 和 Ay＝Aycos＝A0cos。
但是在实际测量时，很难区分开它们对透射光强的 影响。因此，在实际工作上通常都将这两个因素的 影响考虑在一起。
2020/10/18
7.4.1 光的散射现象 (Scattering phenomena of light) 透射光强表示为:
I I0 e (K + h )l I0 e l (2 7 )
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) ②散射光强度随观察方向变化。自然光入射时，散
射光强 I( ) 与 (1+cos2) 成正比。
入射光方向
观察方向
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) ③散射光是偏振光（完全偏振光或部分偏振光），该 偏振光的偏振度与观察方向有关。
紫伴线或反斯托克斯线
2020/10/18
v3 v2 v1 v0 v1 v2 v3 红伴线或斯托克斯线
喇曼散射的持点是：
②这些频率差的数值与入射光波长无关，只与散射介 质有关。
③每种散射介质有它自己的一套频率差 v1＝v0－ vl, v2 ＝v0－v2，v3 ＝ v0－v3 …, 与红外吸收的频率
相等,它们表征了散射介质的分子振动频率。
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 为何正午的太阳基本上呈白色,而旭日和夕阳却呈红色?
正午的太阳
散射
地球 大气层
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, 因此基本上呈白色或略带黄橙色。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 早晚的阳光斜射,穿过大气层的厚度比正午时厚得多, 大气散射掉的短波成分,透过长波成分，所以旭日和 夕阳呈红色。
y y
P
z
e
Ay P
Ay
x
x
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering)
散射光强度 I()为
I()IzIy A02(1cos2) Ii(1cos2) (29)
2020/10/18
入射光方向
观察方向
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 由于散射光两个振动分量的大小与散射方向有关,所 以散射光的偏振态随散射方向不同而异。
7.4 光的散射 (Scattering of light)
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，叫光的散射。
2020/10/18
7.4.1 光的散射现象 (Scattering phenomena of light) 散射和吸收：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，所以从本质上说二者不同。
C
H
2020/10/18
O
C
H
作业：P316 1、4、6、8、10
2020/10/18
7.4.5 喇曼散射 (Raman scattering)
当用单色性较高的准单色光源照射某种气体或液体， 在入射光的垂直方向上用光谱仪摄取散射光,就会观察 到上述散射，这种散射现象就是喇曼散射。
2020/10/18
光源 散射物
光谱仪
Fra Baidu bibliotek曼散射的持点是：
①在每一条原始的入射光谱线旁边都伴有散射线, 在 原始光谱线的长波长方向的散射谱线称为红伴线 或斯托克斯线，在短波长方向上的散射线称为紫 伴线或反斯托克斯线。
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很多，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。
2020/10/18
7.4.4 分子散射 (Molecular scattering) 理想气体对自然光的分子散射光强为
I()2 r π 2 (0 n N 1 4 )2Ii(1 + co s2)
z
2020/10/18
P
e
x
7.4.3 米氏散射 (Mie scattering) 当散射粒子的尺寸接近或大于波长时,其散射规律与 瑞利散射不同。
米氏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，称为米氏散射。
2020/10/18
米氏散射的主要特点是： ①散射光强与偏振特性随散射粒子的尺寸变化。
2020/10/18
7.4.4 分子散射 (Molecular scattering) 光在浑浊介质中产生瑞利散射和米氏散射之外，纯 净介质中也产生散射。
这就是在纯净介质中，因分子热运动引起密度起伏 引起介质光学性质的非均匀所产生光的散射, 称为分 子散射。
2020/10/18
7.4.4 分子散射 (Molecular scattering) 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。
h 为散射系数，K 为吸收系数， 为衰减系数，并且, 在实际测量中得到的都是。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 有些光学不均匀性十分显著的介质能够产生强烈的 散射现象，这类介质一般称为“浑浊介质” 。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 亭达尔等人最早对浑浊介质的散射进行了大量的 实验研究,尤其是微粒线度比光波长小,即不大于
红光波长( ＝720nm)为紫光波长(＝400nm ) 的1.8
倍,因此紫光散射强度约为红光的(1.8)4≈10 倍。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 太阳散射光在大气层内层,蓝色的成分比红色多,使天 空呈蔚蓝色。
2020/10/18
2020/10/18
7.4.5 喇曼散射 (Raman scattering)
1928年,印度科学家喇曼发现了散射光中除有与入射 光频率 v0 相同的瑞利散射线外，在其两侧还伴有频
率为 vl，v2，v3…，v1，v2，v3… 的散射线存在。
2020/10/18
v3 v2 v1 v0 v1 v2 v3
瑞利散射光的光强度角分布和偏振特性起因于散射 光是横电磁波。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering)
自然光沿 x 方向入射到介质的带电微粒 e 上，使其 作受迫振动。
y
z
2020/10/18
P
e
x
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering)
(1/5～1/l0) 的浑浊介质。
亭达尔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。这些规律其后为瑞利在理论上 说明，所以又叫瑞利散射。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 瑞利散射的主要特点： ①散射光强度与入射光波长的四次方成反比，即
I()IzIy A02(1cos2) Ii(1cos2) (29)
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering)
沿着入射光方向或逆着入射光方向，散射光为自然光； 在垂直入射光方向的 y 轴和 z 轴上，散射光为线偏振 光；其余方向上的散射光，均为部分偏振光。
y
2020/10/18
7.4.3 米氏散射 (Mie scattering) 当微粒线度约为1/4波长时,散射光强角分布如图所
示,此时 I() 在 = 0 和 = 处的差别尚不很明显。
z
当微粒线度继续增加时,在 ＝0 方向的散射光强明显
占优势，并产生一系列次极大值。
z
2020/10/18
7.4.3 米氏散射 (Mie scattering) 小水滴在可见光范围内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。
②散射光强随波长的变化规律是与波长 的较低幂次
成反比，即
I()1n (33)
n＝1，2，3。N 的具体取值取决于微粒尺寸。
2020/10/18
7.4.3 米氏散射 (Mie scattering)
③散射光的偏振度随 r / 的增加而减小,这里 r 是 散射粒子的线度， 是入射光波长。
④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。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 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 清晰的照片。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 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。
I() 1 (28) 4
I() 为相应于某一观察方向(与入射光方向成角)的
散射光强度。该式说明，光波长愈短，其散射光强 度愈大，由此可以说明许多自然现象。
2020/10/18
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 天空为什么呈现蓝色呢?由瑞利散射定律可以看出在 由大气散射的太阳光中，短波长光占优势。
(3 4 )
n 为气体折射率,N0 为单位体积气体中的分子数目, r 为散射点到观察点的距离，Ii 为入射光强度。
2020/10/18
7.4.5 喇曼散射 (Raman scattering) 瑞利散射、米氏散射和分子散射中散射光的方向改 变，而波长不改变，即散射光和入射光是同一频率。
喇曼散射和布里渊散射是散射光的方向和波长相对 入射光均发生变化的一种散射。
图中的入射光可分解为沿 y 方向和 z 方向的两个光振 动，其振幅相等，Ay＝Az＝A0。
y
z
2020/10/18
P
e
x
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering)
假设考察位于 xey 面内的 P 点，散射光方向 eP与入
射光方向成 角，则其两个光振动分量的振幅分别为
Az＝Az＝A0 和 Ay＝Aycos＝A0cos。
但是在实际测量时，很难区分开它们对透射光强的 影响。因此，在实际工作上通常都将这两个因素的 影响考虑在一起。
2020/10/18
7.4.1 光的散射现象 (Scattering phenomena of light) 透射光强表示为:
I I0 e (K + h )l I0 e l (2 7 )
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) ②散射光强度随观察方向变化。自然光入射时，散
射光强 I( ) 与 (1+cos2) 成正比。
入射光方向
观察方向
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) ③散射光是偏振光（完全偏振光或部分偏振光），该 偏振光的偏振度与观察方向有关。
紫伴线或反斯托克斯线
2020/10/18
v3 v2 v1 v0 v1 v2 v3 红伴线或斯托克斯线
喇曼散射的持点是：
②这些频率差的数值与入射光波长无关，只与散射介 质有关。
③每种散射介质有它自己的一套频率差 v1＝v0－ vl, v2 ＝v0－v2，v3 ＝ v0－v3 …, 与红外吸收的频率
相等,它们表征了散射介质的分子振动频率。
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 为何正午的太阳基本上呈白色,而旭日和夕阳却呈红色?
正午的太阳
散射
地球 大气层
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, 因此基本上呈白色或略带黄橙色。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 早晚的阳光斜射,穿过大气层的厚度比正午时厚得多, 大气散射掉的短波成分,透过长波成分，所以旭日和 夕阳呈红色。
y y
P
z
e
Ay P
Ay
x
x
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering)
散射光强度 I()为
I()IzIy A02(1cos2) Ii(1cos2) (29)
2020/10/18
入射光方向
观察方向
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 由于散射光两个振动分量的大小与散射方向有关,所 以散射光的偏振态随散射方向不同而异。
7.4 光的散射 (Scattering of light)
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，叫光的散射。
2020/10/18
7.4.1 光的散射现象 (Scattering phenomena of light) 散射和吸收：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，所以从本质上说二者不同。
C
H
2020/10/18
O
C
H
作业：P316 1、4、6、8、10
2020/10/18
7.4.5 喇曼散射 (Raman scattering)
当用单色性较高的准单色光源照射某种气体或液体， 在入射光的垂直方向上用光谱仪摄取散射光,就会观察 到上述散射，这种散射现象就是喇曼散射。
2020/10/18
光源 散射物
光谱仪
Fra Baidu bibliotek曼散射的持点是：
①在每一条原始的入射光谱线旁边都伴有散射线, 在 原始光谱线的长波长方向的散射谱线称为红伴线 或斯托克斯线，在短波长方向上的散射线称为紫 伴线或反斯托克斯线。
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很多，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。
2020/10/18
7.4.4 分子散射 (Molecular scattering) 理想气体对自然光的分子散射光强为
I()2 r π 2 (0 n N 1 4 )2Ii(1 + co s2)
z
2020/10/18
P
e
x
7.4.3 米氏散射 (Mie scattering) 当散射粒子的尺寸接近或大于波长时,其散射规律与 瑞利散射不同。
米氏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，称为米氏散射。
2020/10/18
米氏散射的主要特点是： ①散射光强与偏振特性随散射粒子的尺寸变化。
2020/10/18
7.4.4 分子散射 (Molecular scattering) 光在浑浊介质中产生瑞利散射和米氏散射之外，纯 净介质中也产生散射。
这就是在纯净介质中，因分子热运动引起密度起伏 引起介质光学性质的非均匀所产生光的散射, 称为分 子散射。
2020/10/18
7.4.4 分子散射 (Molecular scattering) 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。
h 为散射系数，K 为吸收系数， 为衰减系数，并且, 在实际测量中得到的都是。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 有些光学不均匀性十分显著的介质能够产生强烈的 散射现象，这类介质一般称为“浑浊介质” 。
2020/10/18
7.4.2 瑞利散射 (Rayleigh scattering) 亭达尔等人最早对浑浊介质的散射进行了大量的 实验研究,尤其是微粒线度比光波长小,即不大于