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),由英国物理学家約翰·斯特拉特,第三代瑞利男爵(John Strutt, 3rd Baron Rayleigh)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(例如單個原子或分子)对入射光束的散射。瑞利散射在光通過透明的固體和液體時都會發生,但以氣體最為顯著。

在大氣中,太陽光的瑞利散射會導致瀰漫天空輻射,這也是天空之所以为藍色和太陽之所以偏黃色的原因。

瑞利散射適用於尺寸遠小於光波長的微小顆粒,和光學的“軟”顆粒(即,其折射率接近1)。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、離散偶極子近似和其它計算技術来處理。

瑞利散射光的強度和入射光波长λ的四次方成反比:

其中是入射光的光強分布函數。

因此,波長較短的藍光比波長較長的紅光更易產生瑞利散射。

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。

瑞利散射可以解釋天空為什麼是藍色的。白天,太陽在頭頂,當太陽光經過大氣層時,與空氣分子(其半徑遠小於可見光的波長)發生瑞利散射,因為藍光比紅光波長短,瑞利散射發生得比較激烈,被散射的藍光佈滿了整個天空,從而使天空呈現藍色,但是太陽本身及其周圍呈現白色或黃色,是因為此時看到更多的是直射光而不是散射光,所以日光的顏色(白色)基本未改變——波長較長的紅黃色光與藍綠色光(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,往兩邊呈鐘形分佈,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。 當日落或日出時,太陽幾乎在我們視線的正前方,此時太陽光在大氣中要走相對很長的路程,所看到的直射光中的藍光大量都被散射了,只剩下紅橙色的光,這就是為什麼日落時太陽附近呈現紅色,而雲也因為反射太陽光而呈現紅色,但天空仍然是藍色的,只能說是非常昏暗的藍黑色。如果是在月球上,因為沒有大氣層,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,其振盪會輻射能量。

(見电偶極子輻射

其中單個原子的偶極為:

其中是原子的自然頻率。

  • 按輻射強度定義有:

其中是每單位體積內的原子數。於是有

其中

因為 ,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]