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光是地球生命的来源之一。光是人类生活的依据。光是人类认识外部世界的工具。光是信息的理想载体或传播媒质。据统计，人类感官收到外部世界的总信息中，至少80%以上通过眼睛。 光线在均匀同种介质中沿直线传播。光通过不均匀介质时一部分光会偏离原方向传播，这是光的散射现象。自然界许多的现象与光的散射有关，比如蔚蓝的天空、洁白的浪花等等，可以说光的散射让世界绚丽多彩。让我们初步认识一下光的色散。 我们知道视觉形成的过程如下：光线→角膜→瞳孔→晶状体→玻璃体→视网膜（形成物像）→视神经（传导视觉信息）→大脑视觉中枢（形成视觉）。所以如果没有光线进入眼睛，是不会形成视觉的！ 视觉原理示意图 光线通过均匀的透明介质(如玻璃、空气、清水）时，从侧面是难以看到光线的。如果介质不均匀，如有悬浮微粒的浑浊液体，我们便可从侧面清晰地看到光束的轨迹，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果。前者几乎没有光线进入眼睛，后者则是有光线进入了眼睛。 光通过溶液与浊液的对比 下面我们就对光的散射给出定义： 由于介质中存在的微小粒子或分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向或波长发生变化，向四周传播的现象，称为光的散射。 光的散射示意图 对于光的散射可以进行如下分类： (说明：l为散射粒子的线度；λ为光波的波长) 人们对光的散射现象最早的观察要追溯到1802年德国化学家里希特（Richter）对金胶体的观察。 光的散射的科学研究则始于1869年丁达尔（Tyndall）关于气溶胶的工作。当一束光线透过胶体，从垂直入射光方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，这种现象叫丁达尔现象，也叫丁达尔效应（Tyndall effect）。 各类丁达尔现象 在丁达尔的基础上，英国物理学家瑞利（Lord Rayleigh，1842-1919，1904年诺贝尔物理学奖获得者）于1899年对小粒子散射又进行了研究。实验装置如图。 瑞利的实验装置示意图 进一步研究表明，散射光的强度与光波波长的四次方成反比，可表示为： 这条规律称为瑞利散射定律。即：波长愈短，散射愈强。 用这条规律可以解释天空为什么是蔚蓝的。 美丽的蓝天 表面上看起来是纯净均匀的介质，由于分子的热运动使分子密度有涨落而引起的散射，称为分子散射。分子散射也满足瑞利散射定律。这也就是白昼天空之所以是亮的原因，是阳光被大气散射的结果，如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中，在太空所见的就是这种景象。 地球外太空 不仅白昼天空亮的原因是由于光的散射，而且天空是蓝色的原因也是光的散射。我们知道太阳发出的白光是复色光，由各种颜色的光复合而成。假设白光中波长为720nm的红光与波长为440nm的青蓝光具有相同的强度，由于两种波长之比为：λ红：λ蓝≈1.64。根据瑞利散射定律，散射光中蓝光的强度与红光强度之比为：I红：I蓝=(λ红：λ蓝)^4≈7.2。可见散射光中蓝光的强度约为红光强度的7.2倍，所以散射光中蓝、靛、紫成分占80%左右。靛、紫两种成分在太阳光中占的比例本来就不大，因而天空呈现蓝色。 既然太阳发出的是白光，旭日和夕阳为什么是红色的？ 在日出和日落之时，人们看到的太阳确实是红色的。 夕阳红 其实旭日和夕阳呈红色，与天空呈蓝色属于同一类现象。这是因为此时的直射光线要在几乎与地面相切的方向上长距离地穿过稠密的大气层，直射光中的每一种单色成分都按指数律衰减，短波成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余较多的自然是长波成分了，最终自然是红光占绝对优势。这便是旭日初升、夕阳西下时颜色显得特别殷红的原因。 尽管日出和日落之时的直射光是红色的，但夕阳斜照下的白色墙壁不是呈现红色，而是呈现橙黄色。这又是为什么？
朝阳或夕阳下的墙壁 这是因为墙壁不仅接受到红色的直射光，还接受到来自天空的散射光。这时的大气和云朵已不是对白光进行散射，而是对已被浓密的大气过滤过的以黄橙为主的直射光进行散射。散射光的光源亮度虽远不及直射光的光源，但其面积远大于直射光的光源。最终的结果使得被阳光照射的墙壁呈黄橙色。
因为红光透过散射物的穿透能力比蓝光强，因此通常情况下，危险信号灯、交通禁行灯等采用红色，使有关人员在能见度低的情况下，能尽早发现采取措施。
红色的信号灯 当散射微粒的线度大于波长时，瑞利散射定律不再成立，散射光强度与微粒的大小和形状有复杂的关系。当散射粒子的线度大于十分之几波长，甚至与波长相当时瑞利散射定律不再成立，此为大粒子散射，称为米氏散射。 米（G.Mie)和德拜(P. Debye)分别于1908年和1909年以球形质点为模型计算了电磁波的散射。米－德拜的计算表明，只有球半径满足
时，瑞利散射定律才是正确的。当a较大时，散射强度与波长的依赖关系就不明显了，米－德拜的计算结果如图。
米－德拜的计算结果 当入射光的波长大于十分之一时，散射光的强度与波长的依赖关系不明显。因此散射光的颜色与入射光相近，白光入射将观察到白色的散射光。 云雾中是透明的液滴，其尺寸多半在微米与亚毫米之间，即与光波的波长相近，或是比后者大1～2个量级。发生的散射属于米氏散射，这就是云雾呈白色的缘故。 关于瑞利散射和米氏散射的现象生活中随处可见，例如，点燃的香烟冒出蓝色的烟，但从口中吐出的烟却是白色的。为什么呢？
青烟 这是因为组成烟的微小颗粒蓝光散射强烈，发生瑞利散射；而从口中吐出的烟，由于凝聚了水蒸气在其上，颗粒变大，属于米氏散射，故呈现白色。 入射光与介质的分子运动间相互作用而引起的频率发生改变的散射。1928年C.拉曼在液体和气体中观察到散射光频率发生改变的现象，称拉曼效应或拉曼散射。 拉曼散射和布里渊散射为研究分子结构或晶体结构提供了重要手段。借助于拉曼散射可快速定出分子振动的固有频率，并可决定分子结构的对称性、分子内部的力等。激光问世以来，关于激光的拉曼散射的研究更得到迅速发展。强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象，如在强激光作用下产生的受激拉曼散射，可获得高强度的多个新波长的相干辐射，用于大气污染的测量。散射还可以应用于测量微粒的大小，散射与通信技术关系也很密切。 光的散射肯定还有许多问题值得人去探索，也有很多应用待人去开发。 |
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