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散射

散射是被投射波照射的物体表面曲率较大甚至不光滑时,其二次辐射波在角域上按一定的规律作扩散分布的现象。它是分子或原子相互接近时,由于双方具有很强的相互斥力,迫使它们在接触前就偏离了原来的运动方向而分开,这通常称为“散射”。散射是指由传播介质的不均匀性引起的光线向四周射去的现象。如一束光通过稀释后的牛奶后为粉红色,而从侧面和上面看,却是浅蓝色的。

词目:散射

拼音: sǎn shè

注音: ㄙㄢˇ ㄕㄜ

解释:[scatter] 由于粒子、光子或光波与其所穿过的媒介物的粒子互撞而射向不同方向。 [1]

1.谓礼射及习射。《周礼夏官司弓矢》:“恒矢痹矢,用诸散射。” 郑玄 注:“二者皆可以散射也,谓礼射及习射也。”

2.指光线、声音等由一点向四周发射、传送。 茅盾 《子夜》一:“从屋子里散射出来的无线电音乐在空中回翔。” 杨朔 《征尘》:“电灯,因着电力的不足而散射着黄橙橙的光线。”

光线(或声束)通过有尘土的空气或胶质溶液等媒质时,部分光线(或声线)偏离原方向而分散传播的现象。例如因空气中含有烟尘,所以室内可以看见从窗户小孔射入的太阳光束,夜间可以看到探照灯的光芒。除光的散射外,粒子(如电子α粒子等)束在直进过程中,与物质发生相互作用而部分粒子偏离原方向前进的现象,亦称散射。 [1]

光线通过有尘土的空气或胶质溶液等媒质时,太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时,都要发生散射。

光束 [2] 通过不均匀媒质时,部分光束将偏离原来方向而分散传播,从侧向也可以看到光的现象,叫做光的散射 [3]

弹性散射(涉及极微小的能量转移)主要有瑞利散射和米氏散射。

①引起光散射的原因是传播中的辐射受到局部位势的作用。

②一般由光的散射的原因不同而将光的散射分为两类:

a.丁达尔效应。颗粒浑浊媒质(颗粒线度略小于光的波长)的散射,散射光的强度和入射光的波长的关系不明显,散射光的波长和入射光的波长相同。

b,分子散射。光通过纯净媒质时,由于构成该媒质的分子密度涨落而被散射的现象。分子散射的光强度和入射光的波长有关,但散射光的波长仍和入射光相同。

③瑞利定律。散射体为光的波长的十分之一左右,散射体的形变不再重要,可以近似为圆球。对入射光散射所遵循的规律是,散射光和入射光波长相同,散射光的强度和散射方向有关,并和波长的四次方成反比。按这一定律,短波光的散射比长波光要强得多,如太阳光中蓝色光被微小尘埃的散射要比红色光强十倍以上。晴朗的天空所以呈浅蓝色,完全是大气散射太阳光的结果。大气的散射一部分来自悬浮的尘埃,大部分是密度涨落引起的分子散射。按瑞利定律,太阳光中的短波成分更多地被散射掉了,在直射的太阳光中剩余较多的是长波成分。所以天空呈现蓝色。

旭日和夕阳呈红色。这是因为早晚阳光以很大的倾角穿过大气层,经历的大气层要远比中午时大得多,所有波长较短的蓝光、黄光等几乎朝侧向散射,仅剩下波长较长的红光到达观察者(接近地面的空气中有尘埃,更增强了散射作用)。

非弹性散射包括布里渊散射,拉曼散射,康普顿散射等等。

1、光线通过有尘土的空气或胶质溶液等媒质时,部分光线向多方面改变方向的现象。叫做光的散射。超短波发射到电离层时也发生散射。

太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时,都要发生散射。但散射并不象吸收那样把辐射能转变为热能,而只是改变辐射方向,使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。经过散射之后,有一部分太阳辐射就到不了地面。如果太阳辐射遇到的是直径比波长小的空气分子,则辐射的波长愈短,被散射愈厉害。其散射能力与波长的对比关系是:对于一定大小的分子来说,散射能力和波长的四次方成反比,这种散射是有选择性的。例如波长为0.7微米时的散射能力为1,波长为0.3微米时的散射能力就为30。因此,太阳辐射通过大气时,由于空气分子散射的结果,波长较短的光被散射得较多。雨后天晴,天空呈青兰色就是因为辐射中青兰色波长较短,容易被大气散射 [4] 的缘故。如果太阳辐射遇到直径比波长大的质点,虽然也被散射,但这种散射是没有选择性的,即辐射的各种波长都同样被散射。如空气中存在较多的尘埃或雾粒,一定范围的长短波都被同样的散射,使天空呈灰白色的。有时为了区别有选择性的散射和没有选择性的散射,将前者称为散射,后者称为漫射。

2、两个基本粒子相碰撞,运动方向改变的现象。

3、在某些情况下,声波投射到不平的分界面或媒质中的微粒上而不同方向传播的现象,也叫乱反射。

散射是指光线被无数小微粒各自反射到四面八方,比如说晚上在外面打开手电会看见光柱,按理说手电不对着你的眼睛,光线不会自己拐弯钻进你的眼睛,那你怎么会看见光柱呢?那是因为手电光被小尘埃阻挡并反射到四面八方,一部分反射到你的眼睛里。这就叫散射。衍射是指波在经过缝隙或障碍物在它并未经过的部位也引起了波的现象(看看物理书上的图),缝隙或障碍物的尺寸跟波长差不多或比较小时这种现象才会明显。

科技名词定义中文名称:瑞利散射英文名称:Rayleigh scattering 其他名称:分子散射

定义1:尺度远小于入射光波长的粒子所产生的散射现象。根据英国物理学家瑞利(Lord John William Rayleigh,18421919)研究指出,分子散射强度与入射光的波长四次方成反比,且各方向的散射光强度是不一样的。 应用学科:大气科学(一级学科);大气物理学(二级学科)。

定义2:在介质中传播的光波,由于材料的原子或分子结构随距离变化而引起的散射。 应用学科:通信科技(一级学科);通信原理与基本技术(二级学科) 。

瑞利,十九世纪最著名的物理学家之一,1842年11月12日出生于英国的莫尔登。据说,瑞利刚开始上学时并不用功,他虽然人很聪明,可却十分贪玩,学习成绩一直平平。10岁那年曾连续两次逃学,为此,他的爸爸妈妈很替他着急,为了孩子的前途,他们决定迁居伦敦。环境的改变,对瑞利的成长起到了良好的作用。另外,瑞利的父母还特地为他聘了一名家庭女教师,从此瑞利一改以前贪玩的习性,一心埋进书本中。

瑞利对物理学做出了很大的贡献,他在声学、波的理论、光学、光的散射、电力学、电磁学、水力学、液体流动理论方面都做出了不可磨灭的贡献,1904年,他因和拉姆塞同时发现了惰性元素氩(Ar)而荣获了该年度的诺贝尔物理学奖。 1871年,瑞利在经过反复研究,反复计算的基础上,提出了著名的瑞利散射公式,当光线入射到不均匀的介质中,如乳状液、胶体溶液等,介质就因折射率不均匀而产生散射光。

瑞利研究表明,即使是均匀介质,由于介质中分子质点不停的热运动,破坏了分子间固定的位置关系,从而也产生一种分子散射,这就是瑞利散射。瑞利经过计算认为,分子散射光的强度与入射光的频率(或波长)有关,即四次幂的瑞利定律正午时,太阳直射地球表面,太阳光在穿过大气层时,各种波长的光都要受到空气的散射,其中波长较长的波散射较小,大部分传播到地面上。而波长较短的兰,绿光,受到空气散射较强,天空中的兰色正是这些散射光的颜色,因此天空会呈现蓝色。

正是由于波长较短的光易被散射掉,而波长较长的红光不易被散射,它的穿透能力也比波长短的蓝、绿光强,因此用红光作指示灯,可以让司机在大雾迷漫的天气里容易看清指示灯,防止交通事故的发生。

拉曼散射(Ramanscattering),光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年,印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。拉曼散射遵守如下规律:散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两侧对称地伴有频率为v0±vi(i=1,2,3,…)的谱线,长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线,短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线;频率差vi与入射光频率v0无关,由散射物质的性质决定,每种散射物质都有自己特定的频率差,其中有些与介质的红外吸收频率相一致。拉曼散射的强度比瑞利散射(见光的散射)要弱得多。 以经典理论解释拉曼散射时,认为分子以固有频率vi振动,极化率(见电极化率)也以vi为频率作周期性变化,在频率为v0的入射光作用下,v0与vi两种频率的耦合产生了v0、v0+vi和v0-vi3种频率。频率为v0的光即瑞利散射光,后两种频率对应拉曼散射谱线。拉曼散射的完善解释需用量子力学理论,不仅可解释散射光的频率差,还可解决强度和偏振等一类问题。

拉曼散射为研究晶体或分子的结构提供了重要手段,在光谱学中形成了拉曼光谱学的一分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率,并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等。自激光问世以后,关于激光的拉曼散射的研究得到了迅速发展,强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象。

米氏散射(Mie scattering)

I(λ) scattering∝I(λ)incident/λ

米氏发表了任何尺寸均匀球形粒子散射问题的严格解,具有极大的实用价值,可以研究雾、云、日冕、胶体和金属悬浮液的散射等。

当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射称为米氏散射。

这种散射主要由大气中的微粒,如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。米氏散射的辐射强度与波长的二次方成反比,散射在光线向前的方向比向后的方向更强,方向性比较明显。如云雾的粒子大小与红外线(0.7615um)的波长接近,所以云雾对红外线的辐射主要是米氏散射。是故,多云潮湿的天气对米氏散射的影响较大。

散射与通信技术关系也很密切,如利用对流层、电离层以及流星余迹的散射可对上百乃至几百公里距离的定点进行微波或超短波通信,是跨越不能设中继站的地段进行通信的有力措施。此外,微波特别是毫米波穿越雨云和雨幕时,水滴乃至分子的散射与吸收所引起的衰减是不能忽视的。

对流层中随时存在着尺度不同(约10~100m)的湍流区。湍流区内与周围介质的折射率有10-6数量级的差别。这些湍流区如同浸在均匀大气中的介质块,在投射被照射下,其极化电流的辐射场即是散射场,团块极化电流的相位沿着投射波的传播方向逐渐落后。类似行波天线的原理,其前向散射强度远大于背向散射。利用这种前向散射可以进行远距离通信。有效的散射区是收、发天线主波瓣端部相交的区域,见图。由于团块的运动、生灭和分布都是随机的,因而接收信号的幅度和相位也都是随机起伏的。由于团块内外折射指数相差甚微,必须使用较高的频率(常用微波)和相当大的发射功率,才能引起可观的极化电流。收、发天线也必须有较高的增益。

在电离层中也经常存在着电子浓度与周围有差异的团块。由于频率越高等离子体的折射指数越接近于真空,所以利用电离层的不均匀性进行散射通信时只能用米波,而且信号频带受到限制。

太阳系大量微粒和流星以12~-72km/s的相对速度与地球相遇时,大多数情形因灼热而气化,飞出的原于与大气分子碰撞而引起电离,选就是流星的电离余迹,它是细长的等离子体柱。肉眼能观察到高度约100km的流星,其余迹上每米长有1014个以上的自由电子,能在1秒乃至几分钟时间内散射米波,在高空风作用下先变形而后散失。估计每一昼夜约有108个这种流星进入大气,所以这种电离余迹是经常存在的,只是要在发现余迹出现后立即进行断续通信。其散射的方向性较强,与电离层不均性散射相比,同样的发射功率下,通信容量增大至10倍或10倍以上。

由于卫星通信的使用,散射通信的必要性已很小,但卫星数量加多必终致发生信道拥挤;空间武器的发展使通信卫星在战争中难免被破坏,散射通信或将再度受重视。

对卫星通信和直接广播影响最明显的是散射衰减。水珠、雪片乃至大气分子在电磁波照射下,其极化电流的辐射把照射波的能流转化为散射能流和质点的内能,因而使照射波受到衰减。在厘米波段,每一水滴如同一个电偶极子。雨滴散射的散射衰减随频率提高而加大。在毫米波段则进入散射的谐振区。散射衰减随频率增大较快,例如每小时12.5mm的降水中,每公里的衰减分贝数,λ=3cm时约为0.285,λ=1cm时约为2.73,λ=6mm时约为4.72,而λ=3mm时则约为6.72。水蒸汽和氧分子对于毫米波的某些频率也有强烈的衰减:水汽对于λ=1.35cm的波约有2dB/km的衰减,氧对于λ=5mm和2.5mm的波衰减分别达到3.4和14dB/km。因此对于毫米波通信和广播必须选用衰减峰之间的频率,以避免过大的衰减;在计算发射功率时,必须留出足够的余量以弥补传播途径中的衰减。


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