瑞利散射

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瑞利散射導致白天的天空的藍色色調和太陽在日落發紅。
瑞利散射在日落之後更加明顯。這張照片是在日落後約一小時在500米海拔高度拍攝,方向对着著在地平線上的太陽。
5毫瓦綠色激光筆光束是在夜間可見的,部分原因是因為存在於空氣中的各種顆粒和分子的瑞利散射。

瑞利散射Rayleigh scattering),由英国物理学家瑞利的名字命名。[1]它是半径比或其他電磁輻射的波长小很多的微小颗粒对入射光束的散射。顆粒可以是單個原子或分子。它可以發生在當光通過透明的固體和液體,但在氣體中最顯著。

在大氣中太陽光的瑞利散射會導致瀰漫天空輻射,這就是天空为藍色和的太陽本身为黃色色調的原因。

当顆粒尺度相似或大於散射光的波長时,通常是由米氏散射理論,離散偶極子近似英语Discrete dipole approximation和其它計算技術来處理。瑞利散射適用於相對於光波長的小的顆粒,和光學的“軟”顆粒(即,其折射率接近1)。

瑞利散射光的強度和入射光波长λ的4次方成反比:

I(\lambda)_{scattering} \propto \frac{ I(\lambda)_{incident}}{\lambda^4}

其中\scriptstyle I(\lambda)_{incident}是入射光的光強分布函數。

也就是說,波長較短的藍光比波長較長的紅光更易散射。

藍天與夕陽[编辑]

該圖顯示在大氣中,相對於紅光,藍光的散射光比例比较大。

瑞利散射可以解释天空为什么是蓝色的。白天,太阳在我们的头顶,当太阳光经过大气层时,与空气分子(其半径远小于可见光的波长)发生瑞利散射,因为蓝光比红光波长短,瑞利散射发生得比较激烈,被散射的蓝光布满了整个天空,从而使天空呈现蓝色,但是太阳本身及其附近呈现白色或黄色,是因为此时你看到更多的是直射光而不是散射光,所以日光的颜色(白色)基本未改变——波长较长的红黄色光与蓝绿色光(少量被散射了)的混合。

但因為人眼對不同顏色的敏感度不同,以黃綠色敏感度最高,往兩邊呈鐘形分布,因此人眼對藍色的敏感度遠大於紫色,所以即使散射的可見光波長中紫光能量最高,人眼看起來仍是藍色

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,你所看到的直射光中的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,而雲也因為反射太陽光而呈現紅色,但天空仍然是藍色的,只能说是非常昏暗的蓝黑色。如果是在月球上,因为没有大气层,天空即使在白天也是黑的。

推導[编辑]

大氣中的離子可視為偶極子,其振盪會幅射能量。

\overline{P} = \sqrt{\frac{\mu_0}{\epsilon_0}} \frac{\omega^4}{12\pi c^2} |\mathbf{p}|^2(見电偶極子幅射

其中單個原子的偶極為:

\mathbf{p} = \frac{q^2}{m(\omega_0^2 - \omega^2)} \mathbf{E} \approx \frac{q^2}{m \omega_0^2} \mathbf{E} \quad  \mbox{if } \omega_0 \gg \omega

其中\omega_0是原子的自然頻率。

I = (1/2) \epsilon_0 c E_0 ^2
  • 按輻射強度定義有:
d I = - n \overline{P} dx

其中n是每單位體積內的原子數。於是有

dI / I = - \gamma dx

其中

\gamma \propto \omega^4 \propto \lambda^{-4}

因為 I = I_0 e^{-\gamma},所以距離越遠,波長較短的強度越低。

參見[编辑]

參考[编辑]

  1. ^ Lord Rayleigh (John Strutt) refined his theory of scattering in a series of papers that were issued over a period of decades. Here is a partial list of those papers:
    1. John Strutt (1871) "On the light from the sky, its polarization and colour," Philosophical Magazine, series 4, vol.41, pages 107-120, 274-279.
    2. John Strutt (1871) "On the scattering of light by small particles," Philosophical Magazine, series 4, vol. 41, pages 447-454.
    3. John Strutt (1881) "On the electromagnetic theory of light," Philosophical Magazine, series 5, vol. 12, pages 81-101.
    4. John Strutt (1899) "On the transmission of light through an atmosphere containing small particles in suspension, and on the origin of the blue of the sky," Philosophical Magazine, series 5, vol. 47, pages 375-394.

參考書籍[编辑]