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1概述

瑞利散射(Rayleigh scattering)是由比光波波長還要小的氣體分子質點引起的。散射能力與光波波長的四次方成反比,波長愈短的電磁波,散射愈強烈;如雨過天晴或秋高氣爽時,就因空中較粗微粒比較少,青藍色光散射顯得更為突出,天空一片蔚藍。瑞利散射的結果,減弱了太陽投射到地表的能量,使地面的紫外線極弱而不能作為遙感可用波段;使到達地表可見光的輻射波長峰值向波長較長的一側移動,當電磁波波長大於1微米時,瑞利散射可以忽略不計。
入射光在線度小於光波長的微粒上散射后散射光和入射光波長相同的現象。由英國物理學家瑞利提出而得名。

2人物簡介

瑞利,十九世紀最著名的物理學家之一,1842年11月12日出生於英國的莫爾登。據說,瑞利剛開始上學時並不用功,他雖然人很聰明,可卻十分貪玩,學習成績一直平平。10歲那年曾連續兩次逃學,為此,他的爸爸媽媽很替他著急,為了孩子的前途,他們決定遷居倫敦。環境的改變,對瑞利的成長起到了良好的作用。另外,瑞利的父母還特地為他聘了一名家庭女教師,從此瑞利一改以前貪玩的習性,一心埋進書本中。
瑞利對物理學曾出了很大的貢獻,他在聲學、波的理論、光學、光的散射、電力學、電磁學、水力學、液體流動理論方面都做出了不可磨滅的貢獻,1904年,他因和拉姆塞同時發現了惰性元素氬(Ar)而榮獲了該年度的諾貝爾物理學獎。

3相關實驗

如右圖所示,將
瑞利散射
強光源S所發出的光束入射到裝滿水的玻璃容器上,水內加上幾滴牛奶使之成為渾濁物質,光通過這類物質后發生散射,從正側方向(垂直於入射光的傳播方向,如Z方向)觀察時,散射光帶青藍色,即此入射光含有較多的短波;從面對入射光的方向(X方向)看,則通過容器的光顯得比較紅。
1871年,瑞利在經過反覆研究,反覆計算的基礎上,提出了著名的瑞利散射公式,當光線入射到不均勻的介質中,如乳狀液、膠體溶液等,介質就因折射率不均勻而產生散射光。瑞利研究表明,即使均勻介質,由於介質中分子質點不停的熱運動,破壞了分子間固定的位置關係,從而也產生一種分子散射,這就是瑞利散射。瑞利經過計算認為,分子散射光的強度與入射光的頻率(或波長)有關,即四次冪的瑞利定律
正午時,太陽直射地球表面,太陽光在穿過大氣層時,各種波長的光都要受到空氣的散射,其中波長較長的波散射較小,大部分傳播到地面上。而波長較短的藍、綠光,受到空氣散射較強,天空中的藍色正是這些散射光的顏色,因此天空會呈現藍色。
這也就是為什麼朝霞晚霞是紅色的原因:波長較長的紅光不易被散射
正是由於波長較短的光易被散射掉,而波長較長的紅光不易被散射,它的穿透能力也比波長短的藍、綠光強,因此用紅光作指示燈,可以讓司機在大霧迷漫的天氣里容易看清指示燈,防止交通事故的發生。

4量子力學表示

瑞利散射的量子力學表示如圖所示,它能給出很直觀的散射圖象。圖中虛線表示的能級稱虛能級,虛能級並不對應於散射系統的任何實際能態,僅給出光量子高於初態的能量。實際躍遷是通過某一虛能級的兩個虛躍遷過程來完成的, 它使一個能量為 hv 的入射光子湮滅(h 為普朗克常數,v 為頻率),而同時產生一個能量與入射光子相同的散射光子。因此發生散射時,雖然系統的能量狀態最終沒有改變,但是系統仍直接參与了散射作用。瑞利散射總是與喇曼散射(見喇曼光譜學)同時出現,前者的強度通常約為入射光強度的 10^-3 。散射過程有相干性,光子的動量可近似看作是守恆的,對受激的瑞利散射,根據相干要求,入射光與散射光子態間有一定的相位關係。
瑞利散射
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