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散射

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瑞利散射導致在白天時天空呈現出藍色,在日落時太陽發紅。

當傳播中的輻射,像光波音波電磁波、或粒子,在通過局部性的位勢時,由於受到位勢的作用,必須改變其直線軌跡,這物理過程,稱為散射。這局部性位勢稱為散射體,或散射中心。局部性位勢各式各樣的種類,無法盡列;例如,粒子、氣泡、液珠、液體密度漲落、晶體缺陷、粗糙表面等等。在傳播的波動或移動的粒子的路徑中,這些特別的局部性位勢所造成的效應,都可以放在散射理論scattering theory)的框架裏來描述。

單散射和多重散射[编辑]

假若輻射只被一個局部性散射體散射,則稱此為單散射。假若許多散射體集中在一起,輻射可能會被散射很多次,稱此為多重散射。單散射可以被視為一個隨機現象;而多重散射通常是比較命定性的。這是兩種散射的主要不同點。

由於單獨的散射體的位置,相對於輻射路徑,通常不會明確的知道。所以,散射結果強烈地依賴於入射軌道參數。對於觀測者,散射結果顯得相當的隨機。移動電子朝著原子核碰撞是一個標準案例。由於不確定性原理,相對於電子的入射路徑,原子的確定位置是個未知數,無法準確地測量出來,碰撞後,電子的散射行為是隨機的。所以,單散射時常用機率分佈來描述

在多重散射過程裏,經過眾多的散射事件,散射作用的隨機性很容易會因為平均化而被凐滅不見,輻射的最終路徑會顯示為強度的命定性(deterministic)分佈。光束穿過濃厚大霧是一個標準案例。多重散射可以與擴散類比。在許多狀況,兩個術語可以替代使用。用來製造多重散射的光學器材,稱為擴散器

不是每一種單散射都是隨機地。一個完美控制的雷射束能夠準確地散射於一個微粒,產生出命定性的結果。這樣的狀況也會發生於雷達散射,目標大多數是宏觀物體,像飛機或火箭。

類似地,多重散射有時也會產生很隨機的結果,特別是相干輻射。當相干輻射被多重散射的時候,強度會發生隨機漲落,稱此現象為散斑speckle)。假若,一個相干輻射的不同部分散射於不同的散射體,則也會產生散斑。在某些罕見的狀況,多重散射的散射次數並不多,隨機性並沒有被平均化凐滅。學術界公認,這類系統很不容易精確地模型化。

散射的主要研究問題,時常涉及到預測各種系統怎樣散射輻射。給予足夠的計算資源和系統資訊,這些問題大都可以解析。一個廣泛研究,更加困難的挑戰是逆散射問題inverse scattering problem)。這問題主要研究的是,從觀測到的散射行為,來決定入射輻射或散射體的性質。一般而言,解答不是唯一的;不同的散射體可以給予同樣的散射樣式。幸運地,科學家找到一些方法,來萃取許多關於散射體的資料。雖然這些資料並不完全,但還是相當有用。這些方法廣泛的用於感測計量學metrology[1]

許多科技領域顯著地應用到散射和散射理論。例如,雷達感測、超音波檢查半導體晶片檢驗、聚合過程監視、電腦成像等等。

電磁散射[编辑]

兩個電子,經由一個虛光子的發射,而產生的散射,可以由費曼圖展示出來。

電磁波是一種最為人熟知,最常碰到的輻射形式。其中,光波散射是不可避免的日常現象。無線電波散射則乃雷達科技的核心物理機制。因為某些方面的不同,電磁波散射可以清楚地分支為不同的領域,各自有各自的取名。彈性散射(涉及極微小的能量轉移)主要有瑞利散射米氏散射非彈性散射包括布里元散射Brillouin scattering)、拉曼散射、非彈性X-光散射、康普頓散射等等。

大多數物體都可以被看見,主要是因為兩個物理過程:光波散射和光波吸收。有些物體幾乎散射了所有入射光波,這造成了物體的白色外表。光波散射也可以給予物體顏色。例如,不同色調的藍色,像天空的天藍、眼睛的虹膜、鳥的羽毛[2]等等。奈米粒子的共振光波散射會產生不同的高度飽和的,生動的色相,特別是當涉及表面電漿子共振surface plasmon resonance[3]

瑞利散射裏,電磁輻射(包括光波)被一個小圓球散射。圓球可能是一個粒子、泡沫、水珠、或甚至於密度漲落。物理學家瑞利勳爵最先發現這散射效應的正確模型,因此稱為瑞利散射。為了要符合瑞利模型的要求,圓球的直徑必須超小於入射波的波長,通常上界大約是波長的1/10。在這個尺寸範圍內,散射體的形狀細節並不重要,通常可以視為一個同體積的圓球。當陽光入射於大氣層時,氣體分子對於陽光的瑞利散射,使得天空呈現藍色。這是根據瑞利著名的方程式:

I\propto 1/ \lambda^4\,\!

其中,I\,\!是強度,\lambda\,\!是波長。

陽光的藍色光波部分波長比較短,散射強度比較大;而紅色光波部分波長比較長,散射強度比較小。外太空的輻射通過地球大氣層時,衰減的主要原因是輻射吸收和瑞利散射。散射的程度變化是粒子直徑與波長比例的函數,連同許多其它因子,像極化、角度、以及相干性等等。

瑞利散射不適用於直徑較大的散射體。德國物理學家古斯塔夫·米最先找到這問題的解答。因此,大於瑞利尺寸的圓球的散射被稱為米氏散射。在米氏區域內,散射體的形狀變的很重要。這理論只能用在類球體

瑞利散射和米氏散射都可以被視為彈性散射,光波的能量並沒有大幅度地改變。可是,移動的散射體所散射的電磁波會產生都卜勒效應,能量會稍微改變。這效應可以被用來偵測和測量散射體的速度,可以應用於光達LIDAR)和雷達這一類科技儀器。

當粒子直徑與波長比例大於10的時候,幾何光學的定律可以用來描述光波與粒子的相互作用。在這裏,通常不稱這相互作用為散射。

對於一些瑞利模型和米式模型不適用的案例,像不規則形狀粒子,有很多種不同的數值計算方法可以讓我們選擇使用,求算散射的解答。最常見的方法是有限元方法。此法解析馬克士威方程組,尋求散射的電磁場的分佈。程式工程師特別設計出複雜的軟體,專門計算這類問題。只需要使用者給出散射體的折射率或折射率函數,電腦就可以計算出電磁場結構的二維或三維模型。假若結構比較龐大複雜,則可能需要高功能電腦大量的運算時間,才能得到結果。

另外一種特別的電磁散射是相干回散射backscatter)。這是一個相當不為人知的現象。當相干輻射(像雷射光束)傳播通過一個擁有很多散射體的介質時,電磁波會被散射很多次。一個代表性的多重散射介質例子是濃厚雲塊。朝著原本入射方向的反方向,相干回散射效應會產生一個非常大的峰值強度。實際上,一般的電磁波很大部分都會散射回去。對於非相干輻射,散射通常會在反方向產生一個局部最大值。可是,相干輻射的峰值強度是非相干輻射的兩倍。測量這些數值是很困難的。原因有兩個。第一個原因是,直接地測量回散射同時也會阻擋入射電磁波。但是,科學家已經想出精巧的方法來克服這問題。第二個原因是,強度峰通常會是非常的尖銳。偵測器必須擁有非常高的角解析度,才能夠看到峰值,不會將強度峰值與鄰近的低強度值平均起來。

參閱[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ Colton, David; Kress, Rainer, Inverse Acoustic and Electromagnetic Scattering Theory 2nd, Springer, 1998, ISBN 978-3540628385 (English) 
  2. ^ Prum, Richard O.; Rodolfo H. Torres, Scott Williamson, Jan Dyck. Coherent light scattering by blue feather barbs. Nature. 1998, 396 (6706): 28–29. doi:10.1038/23838. 
  3. ^ Roqué, Josep; J. Molera, P. Sciau, E。Pantos, M. Vendrell-Saz. Copper and silver nanocrystals in lustre lead glazes: development and optical properties. J. Eur. Ceramic Society. 2006, 26 (16): 3813–3824. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2005.12.024. 

外部連結[编辑]