光散射现象

光散射现象

the Phenomenon of Light Scattering

天空黑暗，却星光闪烁，而太阳又发出耀眼异常的光芒。这是白天还是黑夜？如果没有大气的散射，我们的白天就是这样的。

散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向传播的光束减弱了，即使不迎着这些方向，人们也能够清楚地看到介质散射的光。这种现象就是光的散射。

蔚蓝色的晴空、早晚天边橘红色的太阳、宇航员在太空看到美丽的蓝色地球……这一切都归因于大气的散射。

实验装置

透明玻璃杯一只，装入自来水（八成满即可）；牛奶半勺（可以用少量奶粉代替）；手电筒一只。

图1　所用实验器具

现象观察

1.从侧面看玻璃杯，手电筒打开，从杯子的一侧照射。此时可以看到杯子变成了淡淡的蓝色，正如平时天空的颜色，如图2所示。

图2　侧面出现淡蓝色

2.依然从侧面观察玻璃杯，手电筒改从杯子后面照射。此时看到杯子里的牛奶水变成了浅黄色，如图3所示。

图3　后面出现淡黄色

3.从玻璃杯侧面偏顶部观察，而手电筒从玻璃杯底部照射。此时你可以看到一个渐变色的水杯，从杯底部附近的浅黄色，往上逐渐变为顶部偏红的橘黄色。如果从杯子顶部正上方观察，你会发现更加鲜艳的橘红色，正如日出日落时太阳的颜色，如图4所示。

图4　侧面偏顶部出现橘红色

现象解密

我们知道太阳光通过棱镜后，被分解成各种颜色的光。太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光混合而成的复色光，如图5所示。

图5　太阳光的颜色

不同物体对各种色光进行反射、吸收和透过的情况不同，因此呈现出不同的色彩。透明物体的颜色由透过它的色光决定，不透明物体的颜色则是由它反射的色光决定的。

小障碍物使光波发生散射，较大物体使光波反射，边缘部分产生衍射。较小颗粒对光的散射遵从瑞利定律，与光波波长的四次方成反比。旭日和夕阳呈红色，是因为早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，经过的大气层厚度远比中午时大，波长较短的蓝光、黄光等几乎朝侧向散射，仅剩下波长较长的红光到达观察者，而接近地面的空气中有尘埃，更是增强了散射作用。太阳升起后，朝侧向散射为主的蓝光进入我们的眼睛，因此每当大雨初霁、玉宇澄清了尘埃的时候，天空总是蓝得格外美丽可爱。本演示实验中，以光的入射方向为参考方向，侧向观察散射光偏蓝，纵向则偏红就不难理解了。然而，目前环境污染严重，空气中各种大小的颗粒物增多，由于它们对阳光的散射，我们已经很难看到上述心旷神怡的蔚蓝色天空了。

应用拓展

摄影中的应用。阴天，室外的光线是非常柔和的散射光，用这种光线拍摄人像，能取得很好的效果。

共振光散射技术因灵敏度好、实验仪器简单、检测方便等优点而备受化学研究者的青睐，是分析化学领域中强有力的分析技术。

思考题

1.散射和反射的关系怎样？它们有本质区别吗？

2.散射颗粒与散射光有什么关系？

3.散射和衍射的区别？