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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 光的散射6.4.1 光的散射现象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 当当光光束束通通过过均均匀匀的的透透明明介介质质时时，除除传传播播方方向向外外，其其他他方向是看不到光的。方向是看不到光的。而而当当光光束束通通过过混混浊浊液液体体或或穿穿过过灰灰尘尘弥弥漫漫的的空空间间时时，就就可可以以在在侧侧面面看看到到光光束束的的轨轨迹迹，即即在在光光线线传传播播方方向向以以外外能能够够接接收收到到光光能能。这这种种光光束束通通过过不不均均匀匀介介质质所所产产生生的的偏偏离离原原来来传播方向，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。所所谓谓介介质质不不均均匀匀，是是指指气气体体中中有有随随机机运运动动的的分分子子、原原子或烟雾、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。6.4.1 光的散射现象散射的概念 当光束 由由于于光光的的散散射射是是将将光光能能散散射射到到其其它它方方向向上上，而而光光的的吸吸收收则则是是将将光光能能转转化化为为其其它它形形式式的的能能量量，从从本本质质上上说说二二者者不不同同，但但是是在在实实际际测测量量时时，很很难难区区分分开开它它们们对对透透射射光光强强的的影影响响。在在实实际际工工作作中中通通常常都都将将这这两两个个因因素素的的影影响响考考虑虑在在一一起起，将将透透射射光强表示为：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 。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 通通常常，根根据据散散射射光光的的波波矢矢 k 和和波波长长的的变变化化与与否否，将将散散射射分为两大类：分为两大类：一一类类散散射射是是散散射射光光波波矢矢 k 变变化化，但但波波长长不不变变化化，属属于于这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；另另一一类类是是散散射射光光波波矢矢 k 和和波波长长均均变变化化，属属于于这这种种散散射射的的有喇曼有喇曼(Raman)散射、布里渊散射、布里渊(Brillouin)散射。散射。通常，根据散射光的波矢 k 和波长的变化与否，将散射 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 有些光学不均匀性十分显著、且光在其中产生强烈 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。整整个个天天空空之之所所以以呈呈现现光光亮亮，是是由由于于大大气气对对太太阳阳光光的的散散射射，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：瑞利散射的主要特点：I()为与入射光方向成 天天空空为为什什么么呈呈现现蓝蓝色色?由由瑞瑞利利散散射射定定律律，大大气气散散射射的的 太太 阳阳 光光 中中，短短 波波 长长 光光 占占 优优 势势，例例 如如，红红 光光 波波 长长(=0.72 m)为为紫紫光光波波长长(=0.4 m)的的1.8倍倍，因因此此紫紫光光散散射射强强度度约约为为红红光光的的(1.8)410倍倍。所所以以，太太阳阳散散射射光光在在大大气气层层内内层，蓝色的成分比红色多，使天空呈蔚蓝色。层，蓝色的成分比红色多，使天空呈蔚蓝色。为为什什么么正正午午太太阳阳基基本本上上呈呈白白色色，旭旭日日和和夕夕阳阳却却呈呈红红色色?正正午午太太阳阳直直射射穿穿过过大大气气层层厚厚度度最最小小，阳阳光光中中被被散散射射掉掉的的短短波波成成分分不不太太多多，因因此此垂垂直直透透过过大大气气层层后后的的太太阳阳光光基基本本上上呈呈白白色色或或略略带带黄黄橙橙色色。早早晚晚的的阳阳光光斜斜射射，穿穿过过大大气气层层的的厚厚度度比比正正午午时时厚厚得得多多，被被大大气气散散射射掉掉的的短短波波成成分分也也多多得得多多，仅仅剩剩下下长长波波成分透过大气到达观察者，所以旭日和夕阳呈红色。成分透过大气到达观察者，所以旭日和夕阳呈红色。天空为什么呈现蓝色?由瑞利散射定律，大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。太阳的颜色 地球正午太阳夕阳地球旭日 因为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，散射光强射光强 I()与与(1+cos2)成正比。成正比。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散射光强随 角的变化关系 瑞利散射的主要特点：散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，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。6.4.3 米氏散射1.概念 当散射粒子的尺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。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 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。2.特点 散射光强和偏振特性随散射粒子的尺寸变化。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。当微粒线度处的差别尚不很明显。当微粒线度继续增大时，在继续增大时，在 =0方向的散射光强明显占优势，并产生一方向的散射光强明显占优势，并产生一系列次极大值，如图系列次极大值，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 当散射粒子线度与光波长相近时，散射光强度对于光矢 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。利用米氏散射也可以解释许多自然现象。例如，蓝 6.4.4 分子散射分子散射 1.概念概念 如如前前所所述述，光光在在浑浑浊浊介介质质中中传传播播时时，由由于于介介质质光光学学性性质质的的不不均均匀匀性性，将将产产生生悬悬浮浮微微粒粒的的散散射射。其其中中，当当悬悬浮浮微微粒粒的的线线度度小小于于 1/10 波波长长时时，称称为为瑞瑞利利散散射射；当当悬悬浮浮微微粒粒的的线线度度接接近或大于波长时，称为米氏散射。近或大于波长时，称为米氏散射。实实际际上上在在纯纯净净介介质质中中，因因分分子子热热运运动动引引起起密密度度起起伏伏、或或分分子子各各向向异异性性引引起起分分子子取取向向起起伏伏、或或溶溶液液中中浓浓度度起起伏伏引引起起介介质光学性质的非均匀而产生光的散射，称为质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。在在临临界界点点时时，气气体体密密度度起起伏伏很很大大，可可以以观观察察到到明明显显的的分分子散射，这种现象称为临界乳光。子散射，这种现象称为临界乳光。6.4.4 分子散射 2.特征特征 通通常常，纯纯净净介介质质中中由由于于分分子子热热运运动动产产生生的的密密度度起起伏伏所所引引起起折折射射率率不不均均匀匀区区域域的的线线度度比比可可见见光光波波长长小小得得多多，所所以以分分子子散射中，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 n 为为气气体体折折射射率率，N0 为为单单位位体体积积气气体体中中的的分分子子数数目目，r 为为散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。而而由由分分子子各各向向异异性性起起伏伏产产生生的的分分子子散散射射光光强强度度，比比密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。2.特征 n 为气体折射率，N0 为单位体积气体中的 6.4.5 喇曼散射喇曼散射1.概念概念 一一般般情情况况下下，一一束束准准单单色色光光入入射射介介质质时时，散散射射光光和和入入射射光光是是同同一一频频率率。但但是是，当当入入射射光光足足够够强强时时，就就能能够够观观察察到到很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。喇喇曼曼散散射射就就是是散散射射光光的的方方向向和和波波长长相相对对入入射射光光均均发发生生变变化的一种散射化的一种散射。6.4.5 喇曼散射1.概念 一 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。1928年，印度科学家喇曼和苏联科学家曼杰利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 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。2.特征 在每一条原始的入射光谱线旁边都伴有散射线 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 从经典电磁理论的观点看，分子在光的作用下发生极化，极式式中中，为为分分子子极极化化率率。若若 为为不不随随时时间间变变化化的的常常数数，则则P 以以入入射射光光频频率率 0作作周周期期性性变变化化，由由此此得得到到的的散散射射光光频频率率也也为为 0，这这就就是是瑞瑞利利散散射射。若若分分子子以以固固有有频频率率 振振动动，则则分分子子极极化化率不再为常数，也随率不再为常数，也随 作周期变化，可表示为作周期变化，可表示为:式式中中，0为为分分子子静静止止时时的的极极化化率率；为为相相应应于于分分子子振振动动所所引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:式中，为分子极化率。若为不随时间变化的常数，则P 以入射 上式表明，感应电偶极矩上式表明，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。上式表明，感应电偶极矩 P 的频率有三种：0,由由于于喇喇曼曼散散射射光光的的频频率率与与分分子子的的振振动动频频率率有有关关，所所以以喇喇曼曼散散射射是是研研究究分分子子结结构构的的重重要要手手段段，利利用用这这种种方方法法可可以以确确定定分分子子的的固固有有频频率率，研研究究分分子子对对称称性性及及分分子子动动力力学学等等问问题题。分分子子光光谱谱属属于于红红外外波波段段，一一般般都都采采用用红红外外吸吸收收法法进进行行研研究究。而而利利用用喇喇曼曼散散射射法法的的优优点点是是将将分分子子光光谱谱转转移移到到可可见见光光范范围围进进行行观察、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。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 随随着着激激光光的的出出现现，利利用用激激光光器器作作光光源源进进行行的的喇喇曼曼散散射射光光谱谱研研究究，由由于于其其喇喇曼曼散散射射谱谱中中的的瑞瑞利利线线很很细细，其其两两侧侧频频率率差差很很小小的的喇喇曼曼散散射射线线也也清清晰晰可可见见，因因此此，使使得得分分子子光光谱谱的的研研究究更更加加精精密密。特特别别是是当当激激光光强强度度增增大大到到一一定定程程度度时时，出出现现受受激激喇喇曼曼散散射射效效应应，而而由由于于受受激激喇喇曼曼散散射射光光具具有有很很高高的的空空间间相相干干性性和和时时间间相相干干性性，强强度度也也大大得得多多，所所以以在在研研究究生生物物分分子子结结构构，测测量量大大气气污污染染等等领领域域内内获获得得了了广广泛泛的的应应用用。相相对对于于这这种种受受激激喇曼散射而言，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。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
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