光的散射

§8.4 光的散射

一．光散射现象

光的散射——因介质的非均匀性，使光能不只沿定向，同时还沿若干其它方向传播的现象。

按照引起介质光学非均匀性的原因，可将光的散射分为两大类： 1. 悬浮微粒的散射

其中，当悬浮微粒的线度小于十分之一波长时产生的散射——瑞利散射；

当悬浮微粒的线度接近或大于波长时产生的散射——米氏散射。

2. 在纯净介质中的散射——分子散射

二．瑞利散射 1．瑞利散射定律

如果混浊介质的悬浮微粒线度为波长的十分之一，散射光强度与光波长的四次方成反比，即

04

1

I λ∝

——瑞利散射定律

表明：光波长愈短，其散射光强度愈大。

思考：利用瑞利散射定律，可以解释若干自然现象 (1) 天空为什么呈现蓝色呢？

(2) 为什么正午的太阳基本上呈白色，而旭日和夕阳却呈红色？

2．瑞利散射光的强度角分布及偏振态

图8.4-3 散射光的振幅

图8.4-4 自然光产生的散射光强的角分布

)(I )(E 'I 'I I x y θθθ222cos 1cos 1+=+=+=

讨论：

(1) 散射光强I θ随散射角θ不同而变化。

(2) 散射光的偏振态在不同方向也不相同。不同方向散射光的偏振度为

2222cos sin cos 1cos M m M m I I I I P I I I I θθθθ

−−===

+++ 2

π

±

表明：θ = 0或π时，P =0，即沿着或逆着入射光方向的散射光为自然光，θ= 时，P =1，

即与入射光垂直的方向上，散射光为线偏振光；θ为其余任意值，散射光为部分偏振光。 部分偏振光的偏振度为

y x y x

I I P I I −=

+

三．米氏散射

1

N

I θλ∝米氏散射理论：如果混浊介质中悬浮微粒线度可与入射光波长相比拟，散射光强，

且散射光强的角分布不再呈对称形式。

(b)

图8.4 -5 米氏散射光强的角分布

x

x

注意：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。

思考：为什么蓝天中漂浮着白云？

四．分子散射

通常情况下，纯净介质中由于分子热运动产生密度起伏引起折射率不均匀的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。

五．拉曼散射

拉曼散射或联合散射——在液体和晶体内的光散射产生与入射光频率0ν相同的瑞利散射线外，瑞利谱线两侧还有频率01νν±，02νν±，…等散射线。

分析：从经典电磁理论观点看，散射光的频率是入射光频率0ν和分子振动的固有频率的联合，故拉曼散射又称为联合散射。

0cos 2E E t 作用获得的感生电偶极矩为 E 0πν=设入射光电场为，则分子因电场000000cos 2cos 2cos 2P E t E t νt χεπνχεπν=+⋅ πν

[]000000001

cos 2cos 2()cos 2()2

E t E t t χεπνχεπννπνν=+

++− 讨论：

(1) 频率为的线为瑞利散射线；

0ν频率为0νν−的线称为拉曼红伴线（斯托克斯线）； 频率为0νν+的线称为拉曼紫伴线（反斯托克斯线）。

(2) 若分子的固有频率不只一个，为…，等，则拉曼散射线中也将产生频率为1ν，2ν01νν±，

02νν±，03νν±的线。

应用：

研究分子结构；受激拉曼散射（用激光作光源）可用于研究生物分子结构、测量大气污染等。

1λ＝600nm红光和λ例8.4－1 若白光中波长为2＝450nm的蓝光强度相等。问散射光中二者比例为多少？