光的散射

光是一种能量，它使我们的眼睛体验视觉并让我们感知环境中的各种物体。光线可以是自光或来自物体的反射光。发光物体是那些产生自己光的物体。太阳、灯泡、管灯、萤火虫等。反射来自其他光源的光的物体称为不发光物体。他们不产生自己的光。例如，月亮、树木、桌子和绘画。光可以表现为射线（反射）、波（干涉）或衍射粒子（光电效应）。在讨论光的散射之前，我们将有一些相关的概念

什么是光的折射？

The change in direction of a wave travelling through one medium to another is known as refraction.

最著名的现象之一是光折射，尽管其他波，如声波和水波，也可以折射。由于折射，我们可以使用光学设备，如放大镜、透镜和棱镜。光折射使我们能够将光聚焦在我们的视网膜上。

大气折射：大气折射是大气不同层对光的折射。大气折射是光线在以不同光密度穿过地球大气层时发生弯曲。不同的气体和尘埃颗粒具有不同的光密度。由于空气的光密度变化，来自恒星的光会被不同高度的大气折射。当一个物体将光线发射到大气中时，它们会穿过多个不同密度的空气层并被大气折射。

与大气折射有关的一些事实是：

• 表观星位：由星光在大气中的折射引起的。大气的不同层存在不同的温度和密度。因此，我们有多种媒体可供选择。作为光源，使用了遥远的恒星。当星光进入地球大气层时，它会不断地发生折射，并随着其折射率从稀少变为浓密而向法线弯曲。结果，恒星的表观位置偏离了它的真实位置。这颗星似乎比它大。

星光的弯曲

• 星光闪烁：也是由于大气折射。一个孤立的光点来自遥远的恒星。当星光的光束由于地球大气的物理条件而偏离其轨道时，恒星的表观位置会发生变化。结果，进入我们眼睛的光量会发生变化，时而明亮，时而暗淡。 “星星闪烁效应”就是这种现象的名称。

光的散射

A portion of the light is absorbed by the medium’s particles when it goes from one medium to another, such as air or a glass of water, followed by subsequent radiation in a specific direction. This phenomenon is known as light scattering. 

散射光的强度受颗粒大小和光波长的影响。由于线的波纹及其与粒子的相互作用，较短的波长和较高的频率散射更多。如果线条呈波浪状，则线条更有可能与粒子发生碰撞。另一方面，较长的波长具有较低的频率并且更直，这意味着它们与粒子碰撞的可能性较小。下午，由于光线的折射和全内反射，可以看到五彩光的弯曲。太阳光的波长在不同的方向产生不同的颜色。瑞利散射理论解释了早晨太阳的红色和天空的蓝色。

不同形式的光散射

光色散以多种形式发生，如下所述：

• 弹性散射：当入射光束和散射光束的能量相同时。
• 非弹性散射：当入射光束和分散光束的能量不同时。非弹性散射进一步分为四种类型：
  • 瑞利散射：当辐射（光）与大气中直径小于入射辐射波长的分子和粒子相互作用时，会发生瑞利散射。与较短的波长相比，较长的波长更容易散射。小颗粒，如 NO2 和 O2，会散射较短波长的光（如蓝色和紫色可见光）。波长较长的红光在大气中的散射比蓝光多。在日出和黄昏时，入射的阳光穿过大气层的距离更远。由于分散短（蓝色）波长的较长路径，我们只能看到较长（红色和橙色）波长的光。
  • 米氏散射：当电磁辐射的波长与空气粒子的大小相近时，就会发生米氏散射。米氏散射影响光谱中近紫外到中红外区域的光子。当天空多云时，米氏散射主要发生在低层大气中，较大的粒子更频繁。米氏散射主要是由花粉、灰尘和污染引起的。例如，Mie Scattering 使云看起来是白色的。
  • 廷德尔效应：各种微小的粒子构成了地球的大气层。烟雾、小水滴、悬浮的灰尘颗粒和空气分子就是这些颗粒的例子。当光束与如此小的粒子碰撞时，光束的路径变得可见。在被这些粒子漫反射后，光线到达我们身边。廷德尔效应是由胶体粒子分散光引起的。当一束细细的阳光通过一个小孔进入充满烟雾的房间时，就会出现这种现象。由于光散射，颗粒变得可见。当阳光穿透茂密的森林树冠时，廷德尔效应很明显。光被雾中的小水滴散射。散射粒子的大小决定了散射光的色调。非常小的粒子散射较短波长的光，而较大的粒子散射较长波长的光。如果散射粒子足够大，散射光可能会呈现白色。
  • 拉曼效应：拉曼散射是光子通过刺激分子在更高能级的散射。入射粒子的动能通过斯托克斯和反斯托克斯分量要么丢失要么获得，因为光子是非弹性散射的。

影响光散射的因素

• 粒子的大小：散射光的颜色取决于粒子的大小。
  • 微小的粒子会散射较短波长的光。
  • 大颗粒散射更长波长的光。
• 射线的波长：散射与波长成反比。

散射∝ 1/λ

其中 λ 表示射线的波长。波长越高，散射越小。波长越小，散射越高。

光散射的实际应用

• 天空的蓝色：与红色相比，蓝色的波长较短。既然我们知道，散射∝ 1/λ。因此，蓝色在白天被大气中的微小粒子散射最多。大气中存在各种气体，例如氮气（N ₂ ）和氧气（O ₂ ）。这些气体分子的尺寸非常小并形成胶体（Gas-in-Gas 溶液）。小粒子散射较短波长的光线，而较短波长的蓝色被散射得更强烈，使天空呈现蓝色。由于没有大气层，太空对宇航员来说似乎很暗。没有大气，微小的粒子就不会散射光，因此呈现出黑暗的外观。
• 为什么危险信号是红色的？与光谱中的其他颜色相比，红色的波长更长（由于通过棱镜折射而形成的七种颜色）。由于较长波长的光线被灰尘和烟雾颗粒散射最少，因此红色可以传播很远的距离，并有助于危险信号更快地到达更远的地方。所有其他颜色在夜间散去，红色到达我们的眼睛。
• 日出和日落时太阳的微红外观：在日出和日落期间，光线必须通过大气层的距离更长，因为它们非常靠近地平线。因此，除了红色之外的所有其他颜色都散去，红色仍然存在。大部分被粒子散射最少的红光进入我们的眼睛。因此，太阳和天空呈现红色。中午时，太阳看起来是白色的，因为较少的蓝光被散射。

示例问题

问题1：白天晴朗的天空是什么颜色？给个解释。

解决方案：

Blue is the colour of the sky throughout the day. This is because of the size of air molecules and other fine particles in the atmosphere is smaller than the wavelength of visible light. Due to this, these particles scatter light rays of shorter wavelengths at the blue end more efficiently than light rays of longer wavelengths at the red end. That is why the scattered blue light gives us the impression of a blue sky when it enters our eyes.

问题2：光的散射是什么意思？

解决方案：

Light scattering is the spreading of light in different random directions. Light scatters when it encounters various types of suspended particles along its path .The colour of scattered light is determined by the size of scattering particles in the environment.

• The larger dust and water droplets in the atmosphere scatter light with longer wavelengths, giving the dispersed light a white appearance.
• The very small particles in the environment, such as air molecules, scatter the blue light contained in the white sunlight.

问题3：为什么一大早的太阳会显得偏红？

解决方案：

At daybreak, the sun rises near the earth’s horizon (early in the morning). Light from the sun near the horizon must travel through vast layers of air and a great distance via the earth’s atmosphere before reaching our sight. The particles in the atmosphere scatter most of the blue light rays with shorter wavelengths near the horizon. As a result, we are exposed to red light with longer wavelengths. As a result, the sun takes on a crimson colour.

问题4：为什么用红色来做危险信号或标志？

解决方案：

When red collides with small fog and smoke particles, it scatters the most since it has the longest wavelength (visible spectrum). As a result, we can see the red colour clearly even from a great distance

问题5：大雾天，为什么司机用橙灯代替白灯？

解决方案：

When a driver uses white light while driving in fog, the tiny droplets of water scatter a lot of blue light. This diffused blue light reduces visibility and makes driving a challenge. Orange light does not scatter due to its larger wavelength, allowing the motorist to see clearly.