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散射

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瑞利散射导致在白天时天空呈现出蓝色,在日落时太阳发红。

当传播中的辐射,像光波音波电磁波、或粒子,在通过局部性的位势时,由于受到位势的作用,必须改变其直线轨迹,这物理过程,称为散射。这局部性位势称为散射体,或散射中心。局部性位势各式各样的种类,无法尽列;例如,粒子、气泡、液珠、液体密度涨落、晶体缺陷、粗糙表面等等。在传播的波动或移动的粒子的路径中,这些特别的局部性位势所造成的效应,都可以放在散射理论英语Scattering theory的框架里来描述。

单散射和多重散射[编辑]

假若辐射只被一个局部性散射体散射,则称此为单散射。假若许多散射体集中在一起,辐射可能会被散射很多次,称此为多重散射。单散射可以被视为一个随机现象;而多重散射通常是比较命定性的。这是两种散射的主要不同点。

由于单独的散射体的位置,相对于辐射路径,通常不会明确的知道。所以,散射结果强烈地依赖于入射轨道参数。对于观测者,散射结果显得相当的随机。移动电子朝着原子核碰撞是一个标准案例。由于不确定性原理,相对于电子的入射路径,原子的确定位置是个未知数,无法准确地测量出来,碰撞后,电子的散射行为是随机的。所以,单散射时常用概率分布来描述

在多重散射过程里,经过众多的散射事件,散射作用的随机性很容易会因为平均化而被凐灭不见,辐射的最终路径会显示为强度的命定性(deterministic)分布。光束穿过浓厚大雾是一个标准案例。多重散射可以与扩散类比。在许多状况,两个术语可以替代使用。用来制造多重散射的光学器材,称为扩散器

不是每一种单散射都是随机地。一个完美控制的激光束能够准确地散射于一个微粒,产生出命定性的结果。这样的状况也会发生于雷达散射,目标大多数是宏观物体,像飞机或火箭。

类似地,多重散射有时也会产生很随机的结果,特别是相干辐射。当相干辐射被多重散射的时候,强度会发生随机涨落,称此现象为散斑speckle)。假若,一个相干辐射的不同部分散射于不同的散射体,则也会产生散斑。在某些罕见的状况,多重散射的散射次数并不多,随机性并没有被平均化凐灭。学术界公认,这类系统很不容易精确地模型化。

散射的主要研究问题,时常涉及到预测各种系统怎样散射辐射。给予足够的计算资源和系统信息,这些问题大都可以解析。一个广泛研究,更加困难的挑战是逆散射问题inverse scattering problem)。这问题主要研究的是,从观测到的散射行为,来决定入射辐射或散射体的性质。一般而言,解答不是唯一的;不同的散射体可以给予同样的散射样式。幸运地,科学家找到一些方法,来萃取许多关于散射体的资料。虽然这些资料并不完全,但还是相当有用。这些方法广泛的用于感测计量学metrology[1]

许多科技领域显著地应用到散射和散射理论。例如,雷达感测、超声波检查半导体芯片检验、聚合过程监视、电脑成像等等。

电磁散射[编辑]

两个电子,经由一个虚光子的发射,而产生的散射,可以由费曼图展示出来。

电磁波是一种最为人熟知,最常碰到的辐射形式。其中,光波散射是不可避免的日常现象。无线电波散射则乃雷达科技的核心物理机制。因为某些方面的不同,电磁波散射可以清楚地分支为不同的领域,各自有各自的取名。弹性散射(涉及极微小的能量转移)主要有瑞利散射米氏散射非弹性散射包括布里渊散射Brillouin scattering)、拉曼散射、非弹性X-光散射、康普顿散射等等。

大多数物体都可以被看见,主要是因为两个物理过程:光波散射和光波吸收。有些物体几乎散射了所有入射光波,这造成了物体的白色外表。光波散射也可以给予物体颜色。例如,不同色调的蓝色,像天空的天蓝、眼睛的虹膜、鸟的羽毛[2]等等。奈米粒子的共振光波散射会产生不同的高度饱和的,生动的色相,特别是当涉及表面等离子体共振surface plasmon resonance[3]

瑞利散射里,电磁辐射(包括光波)被一个小圆球散射。圆球可能是一个粒子、泡沫、水珠、或甚至于密度涨落。物理学家瑞利勋爵最先发现这散射效应的正确模型,因此称为瑞利散射。为了要符合瑞利模型的要求,圆球的直径必须超小于入射波的波长,通常上界大约是波长的1/10。在这个尺寸范围内,散射体的形状细节并不重要,通常可以视为一个同体积的圆球。当阳光入射于大气层时,气体分子对于阳光的瑞利散射,使得天空呈现蓝色。这是根据瑞利著名的方程:

其中,是强度,是波长。

阳光的蓝色光波部分波长比较短,散射强度比较大;而红色光波部分波长比较长,散射强度比较小。外太空的辐射通过地球大气层时,衰减的主要原因是辐射吸收和瑞利散射。散射的程度变化是粒子直径与波长比例的函数,连同许多其它因子,像极化、角度、以及相干性等等。

瑞利散射不适用于直径较大的散射体。德国物理学家古斯塔夫·米最先找到这问题的解答。因此,大于瑞利尺寸的圆球的散射被称为米氏散射。在米氏区域内,散射体的形状变的很重要。这理论只能用在类球体

瑞利散射和米氏散射都可以被视为弹性散射,光波的能量并没有大幅度地改变。可是,移动的散射体所散射的电磁波会产生多普勒效应,能量会稍微改变。这效应可以被用来侦测和测量散射体的速度,可以应用于光达LIDAR)和雷达这一类科技仪器。

当粒子直径与波长比例大于10的时候,几何光学的定律可以用来描述光波与粒子的相互作用。在这里,通常不称这相互作用为散射。

对于一些瑞利模型和米式模型不适用的案例,像不规则形状粒子,有很多种不同的数值计算方法可以让我们选择使用,求算散射的解答。最常见的方法是有限元方法。此法解析麦克斯韦方程组,寻求散射的电磁场的分布。程式工程师特别设计出复杂的软件,专门计算这类问题。只需要使用者给出散射体的折射率或折射率函数,电脑就可以计算出电磁场结构的二维或三维模型。假若结构比较庞大复杂,则可能需要高功能电脑大量的运算时间,才能得到结果。

另外一种特别的电磁散射是相干回散射backscatter)。这是一个相当不为人知的现象。当相干辐射(像激光光束)传播通过一个拥有很多散射体的介质时,电磁波会被散射很多次。一个代表性的多重散射介质例子是浓厚云块。朝着原本入射方向的反方向,相干回散射效应会产生一个非常大的峰值强度。实际上,一般的电磁波很大部分都会散射回去。对于非相干辐射,散射通常会在反方向产生一个局部最大值。可是,相干辐射的峰值强度是非相干辐射的两倍。测量这些数值是很困难的。原因有两个。第一个原因是,直接地测量回散射同时也会阻挡入射电磁波。但是,科学家已经想出精巧的方法来克服这问题。第二个原因是,强度峰通常会是非常的尖锐。侦测器必须拥有非常高的角分辨率,才能够看到峰值,不会将强度峰值与邻近的低强度值平均起来。

参阅[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ Colton, David; Kress, Rainer, Inverse Acoustic and Electromagnetic Scattering Theory 2nd, Springer, 1998, ISBN 978-3540628385 (英语) 
  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. 

外部链接[编辑]