散射光强度与光波波长的关系及瑞利散射定律

观察暗室中的光束，不难发现其中有许多做布朗运动的亮点，这些亮点几乎向所有的方向发光，这些亮点是悬浮在空气中的灰尘、烟雾。当然，纯净的空气也有散射，用光束照射空气，使被照射的空气比较均匀地发射散射光。散射是将定向辐射的光波，转换成向任意方向辐射的光波。只要有散射，定向输运的光能必将随传输距离增长而衰减。

在1869年爱尔兰物理学家延德尔就对混浊介质的散射现象做过大量的实验研究，尤其对于微粒线度小于光波波长的混浊介质，从实验中总结出了一些规律。在此基础上，英国物理学家瑞利于1899年对小粒子散射又进行了研究，观察这种散射的实验装置如图6-4所示，由强光源发出的白光经透镜后变成平行光射入玻璃容器，容器内盛混浊介质(水中加几滴牛奶)，则可从容器侧面看到明显的散射光且带青蓝色，透射光带红色。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。如果光源中的光强按波长的分布函数用f(λ)表示，则散射光的强度为式(6-7)称为瑞利散射定律。根据瑞利散射定律，对前面的实验现象可以很好地解释。假设白光中波长为720nm的红光与波长为440nm的蓝光具有相同的强度，因为两种波长之比为，所以散射光中蓝光的强度与红光强度之比为，可见散射光中蓝光的强度约为红光强度的7.2倍，因此透射光中所含的红光成分就较多，故透射光呈现红色。

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图6-4 散射光的实验装置

表面上看起来是纯净均匀的介质，但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。

利用上述散射规律，可以解释一些自然现象。例如，晴朗的天空蔚蓝而明亮，是由于太阳光通过大气层时，受到大气分子散射。根据瑞利散射定律，阳光中波长较短的蓝光比波长较长的红光散射强烈，蓝光在大气层中多次散射使天空呈现蔚蓝色。如果没有大气，太阳光得不到大气分子的散射，那么即使在白天，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。这景象正是宇航员在宇宙中航行时经常见到的。又如，清晨或傍晚，看到太阳呈红色。这是因为此时太阳光几乎平行于地平面，穿过的大气层最厚。散射效应最显著，日光中的短波部分几乎都侧向散射，仅剩下波长较长的红光部分到达地面，所以可以见到火红的朝阳和夕阳。