[科普中国]-瑞利散射

描述

瑞利散射规律是由英国物理学家瑞利勋爵（Lord Rayleigh）于1900年发现的，因此得名。

为了要符合瑞利散射的要求，微粒的直径必须远小于入射波的波长，通常上界大约是波长的1/10（1-300 nm），此时散射光线的强度与入射光线波长的四次方成反比，也就是说，波长愈短，散射愈强。

另外，散射的光线在光线前进方向和反方向上的程度是相同的，而在与入射光线垂直的方向上程度最低（如名片图）1。

光学现象（1）天空的颜色

由于瑞利散射的强度与波长四次方成反比，所以太阳光谱中波长较短的蓝紫光比波长较长得红光散射更明显，而短波中又以蓝光能量最大，所以在雨过天晴或秋高气爽时（空中较粗微粒比较少，以分子散射为主），在大气分子的强烈散射作用下，蓝色光被散射至弥漫天空，天空即呈现蔚蓝色。

另外，由于大气密度随高度急剧降低，大气分子的散射效应相应减弱，天空的颜色也随高度由蔚蓝色变为青色（约 8 公里）、暗青色（约 11 公里）、 暗紫色（约 13 公里）、黑紫色（约 21 公里），再往上，空气非常稀薄，大气分子的散射效应极其微弱，天空便为黑暗所湮没。可以说，瑞利散射的结果，减弱了太阳投射到地表的能量。2

（2）晚霞的颜色

当日落或日出时，太阳几乎在我们视线的正前方，此时太阳光在大气中要走相对很长的路程，我们所看到的直射光中的波长较短蓝光大量都被散射了，只剩下红橙色的光，这就是为什么日落时太阳附近呈现红色，而云也因为反射太阳光而呈现红色，但天空仍然是蓝色的。

（3）海水的颜色

水对可见光中红光的吸收稍强于蓝光，所以少量水呈现无色，大量水呈现蓝色(可以理解为水其实是有着非常非常淡蓝色的液体)，在水中尺度较大的微粒的反射下使得海水看上去呈现较深的蓝色，这是海水颜色的主要成因。同时在清洁的大洋水中，因为悬浮颗粒少，粒径小，分子散射也起着一定作用，其散射服从瑞利散射定律，对海水的蓝色也有一定的贡献作用。

原理（1）尺度数α

散射的程度变化是粒子半径（r）与辐射波长（λ）比例的函数，连同许多其它因子，像极化、角度、以及相干性等等。因此常引用无量纲尺度数α = 2πr/λ作为判别标准：

当α远小于0.1时，可用瑞利散射；

当α≥0.1 时, 需用米散射；

当α>50 时, 可用几何光学。

（2）变化规律

下图给出水滴的散射效率因子随尺度数α变化的曲线。

从图中可以看出，当α很接近0时，散射效率因子随α增长很快，这是瑞利散射的特征。对一同一类散射粒子（例如空气分子），因为半径r是固定的，则α的加大意味着波长λ的减小。

散射效率因子随着α的增长表明了较短波长的光散射比较长波长的强。3

应用一个完美控制的激光束能够准确地散射于一个微粒，产生出命定性的结果。这样的状况也会发生于雷达散射，目标大多数是宏观物体，像飞机或火箭。

许多科技领域显著地应用到散射和散射理论。例如，超声波检查、半导体芯片检验、聚合过程监视、电脑成像等等。