瑞利散射和米氏散射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)演示

王 崢,徐 平,,王文文,J.Tuteu

(北京航空航天大學(xué)a.中法工程師學(xué)院;b.物理科學(xué)與核能工程學(xué)院,北京100191)

1 引 言

光的散射是一種重要的物理現(xiàn)象.在光學(xué)性質(zhì)均勻的介質(zhì)中或2種折射率不同的均勻介質(zhì)的界面上,無(wú)論光的直射、反射或折射,都僅限于在給定的一些方向上,而在其余方向光強(qiáng)則等于零,因此沿光束的側(cè)向進(jìn)行觀(guān)察就難以觀(guān)察到光,但當(dāng)光束通過(guò)光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時(shí),從側(cè)向卻可以看到光,這個(gè)現(xiàn)象就是光的散射[1].

光學(xué)性質(zhì)的不均勻可能是由于均勻物質(zhì)中散布著其他物質(zhì)的大量微粒,也可能是由物質(zhì)本身的組成部分(粒子)的不規(guī)則聚集所造成,例如塵埃、煙、霧、懸浮液、乳狀液以及毛玻璃等.由于這些微粒的線(xiàn)度一般小于或近似等于入射光的波長(zhǎng),而它們相互之間的距離比波長(zhǎng)大,且排列得毫無(wú)規(guī)則,因此,在光作用下的振動(dòng)彼此間就沒(méi)有固定的相位關(guān)系,在任何觀(guān)察點(diǎn)所看到的總是它們所發(fā)出的次級(jí)輻射的不相干疊加,到處不會(huì)相消,從而形成了散射光.由微粒引起的散射,其特征與微粒的線(xiàn)度有關(guān),其中,線(xiàn)度小于光波長(zhǎng)的微粒對(duì)入射光的散射,稱(chēng)為瑞利散射;線(xiàn)度接近或大于光波長(zhǎng)的微粒對(duì)入射光的散射,為米氏散射.近年來(lái),一些學(xué)者對(duì)于光散射現(xiàn)象進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)研究[2-3].

本實(shí)驗(yàn)利用硫代硫酸鈉和稀鹽酸的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生線(xiàn)度小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)硫分子;利用硫分子的凝聚,產(chǎn)生線(xiàn)度接近或大于與可見(jiàn)光波長(zhǎng)相近的顆粒.在上述過(guò)程中通過(guò)白光照射反應(yīng)液,可以直觀(guān)地演示瑞利散射和米氏散射,并研究和分析瑞利散射時(shí)光的偏振特性;也可以通過(guò)該實(shí)驗(yàn)解釋藍(lán)天、白云以及日出日落與正午時(shí)天空呈現(xiàn)不同顏色等自然現(xiàn)象,具有實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單,物理現(xiàn)象明顯,操作方便等特點(diǎn),非常適合作為物理課堂演示實(shí)驗(yàn).

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 瑞利散射和米氏散射

瑞利散射適用于孤立原子或分子的散射,也適用于純凈介質(zhì)的密度起伏導(dǎo)致的散射.瑞利散射具有以下4個(gè)特征[4]:

1)波長(zhǎng)不變,即散射光波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)相同.

2)散射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)四次方成反比,即 I∝1/λ4.

3)散射光強(qiáng)依空間方位呈啞鈴形角分布.設(shè)入射光是自然光,則在與入射光方向呈θ角(習(xí)慣上稱(chēng)為散射角)的方向上,散射光強(qiáng)為

其中 Iπ/2為垂直于入射光即θ=π/2方向的散射光強(qiáng),散射光強(qiáng)分布如圖1所示.

圖1 自然光瑞利散射光強(qiáng)的角分布

4)當(dāng)自然光入射時(shí),各方向的散射光一般為部分偏振光,但在垂直入射光方向上的散射光是線(xiàn)偏振光,沿入射光方向或其逆方向的散射光仍是自然光.

米氏散射與瑞利散射的區(qū)別在于,米氏散射微粒較大,線(xiàn)度接近或大于光波長(zhǎng).當(dāng)粒子線(xiàn)度a與光波長(zhǎng)可以比擬(a/λ數(shù)量級(jí)為0.1～10)甚至更大時(shí),隨著粒子線(xiàn)度的增大,散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)的依賴(lài)關(guān)系逐漸減弱,而且散射光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化出現(xiàn)起伏,這種起伏的幅度也隨著比值 a/λ的增大而逐漸減少,如圖2所示[5].

圖2 瑞利散射與米氏散射

2.2 不同尺度顆粒的產(chǎn)生

硫代硫酸鈉與稀鹽酸反應(yīng),在溶液中緩慢產(chǎn)生不溶于水的固態(tài)硫分子:

由于溶液較稀,開(kāi)始時(shí)只有少量硫分子,其顆粒線(xiàn)度小于光波長(zhǎng),滿(mǎn)足瑞利散射條件;隨著化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的持續(xù),濃度不斷增大,對(duì)光的散射也不斷增強(qiáng).接著多個(gè)硫分子聚結(jié)成不溶于水的硫顆粒,其線(xiàn)度接近和大于光波長(zhǎng),產(chǎn)生米氏散射.

3 實(shí)驗(yàn)裝置及現(xiàn)象觀(guān)察

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

膠片投影儀1臺(tái)、透明玻璃水槽1個(gè)、量程為50 m L和25 mL的量筒各1個(gè)、、50 mL的燒杯2個(gè)、玻璃棒1支、白屏1個(gè);0.1 mol/L的硫代硫酸鈉溶液、0.1 mol/L的稀鹽酸適量,實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀(guān)察

打開(kāi)膠片投影儀,將透明玻璃水槽置于膠片投影儀上.膠片投影儀發(fā)出的強(qiáng)光透過(guò)玻璃水槽投影在白色屏幕上.用燒杯將50 m L硫代硫酸鈉溶液倒入玻璃水槽中.用玻璃棒引流,將10 m L稀鹽酸緩緩倒入硫代硫酸鈉溶液中,并輕輕攪拌.

1)隨著反應(yīng)的進(jìn)行,玻璃水槽中的溶液由無(wú)色逐漸變成淺藍(lán)色,這是由于化學(xué)反應(yīng)生成了顆粒線(xiàn)度遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的硫分子,對(duì)膠片投影儀所發(fā)出的強(qiáng)光產(chǎn)生了瑞利散射,散射光的強(qiáng)度正比于1/λ4.顯然短波長(zhǎng)的藍(lán)光更容易被散射,因而觀(guān)察到溶液呈淺藍(lán)色.從側(cè)面透過(guò)偏振片觀(guān)察溶液,轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片,可以觀(guān)察到溶液散射光強(qiáng)度的變化,這是因?yàn)榇怪比肷涔夥较蛏系纳⑸涔馐蔷€(xiàn)偏振光,而散射光總體特性是部分偏振光.

利用這一現(xiàn)象,可以向?qū)W生解釋晴朗天空呈藍(lán)色的原因,是大氣散射陽(yáng)光的結(jié)果.由于大氣的散射,將陽(yáng)光從各個(gè)方向射向觀(guān)察者,我們才看到了光亮的天穹.如果沒(méi)有大氣層,即使在白天,人們仰望天空,將看到光耀眩目的太陽(yáng)懸掛在漆黑的背景中,就像宇航員在太空見(jiàn)到的空中景象[4-6].而晴朗的天空之所以呈淺藍(lán)色,是因?yàn)樘鞖馇缋蕰r(shí),大氣層中氣體分子、塵埃和水分子的顆粒尺寸較小,對(duì)陽(yáng)光產(chǎn)生瑞利散射.根據(jù)瑞利定律,淺藍(lán)色和藍(lán)色光比黃色和紅色的光波長(zhǎng)短,因此散射現(xiàn)象更加明顯,故散射光中波長(zhǎng)較短的藍(lán)光占優(yōu)勢(shì),天空呈藍(lán)色.

2)隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,溶液越來(lái)越渾濁.這時(shí)觀(guān)察白屏,可以看到從膠片投影儀發(fā)出的光,穿過(guò)溶液照射到白屏上呈暗紅色.這是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行,散射分子的濃度越來(lái)越大,波長(zhǎng)較短的光大部分被散射,只有波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光穿過(guò)了溶液,到達(dá)了白屏上.

這就如同清晨日出或傍晚日落時(shí),看到太陽(yáng)呈紅色.因?yàn)榇藭r(shí)太陽(yáng)光幾乎平行于地平面,光線(xiàn)穿過(guò)的大氣層最厚,如圖4所示[1,6].所有波長(zhǎng)較短的藍(lán)光、黃光等幾乎都朝側(cè)向散射,接近地面的空氣中有塵埃,更增強(qiáng)了散射作用,最終僅剩下波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光到達(dá)觀(guān)察者.

圖4 散射引起的天色和日色

3)反應(yīng)結(jié)束時(shí),溶液呈乳白色.硫粒子尺寸增大,已超過(guò)瑞利散射的范圍,散射光的強(qiáng)度不再隨波長(zhǎng)變化,而產(chǎn)生固態(tài)硫的濃度也逐漸增大,使得所有波長(zhǎng)的光均被散射,觀(guān)察者就觀(guān)察到了乳白色的溶液.

這時(shí)教師可以將此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與以下的自然現(xiàn)象相比較:當(dāng)空中有霧或薄云存在時(shí),因?yàn)樗蔚闹睆奖瓤梢?jiàn)光波長(zhǎng)大得多,選擇性散射的效應(yīng)不再存在,不同波長(zhǎng)的光都將被散射,所以天空呈現(xiàn)白茫茫的顏色[7].

4 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)硫代硫酸鈉溶液與稀鹽酸溶液混合產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng),向?qū)W生直觀(guān)地演示瑞利散射和米氏散射.實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯,便于幫助學(xué)生更好地理解和掌握光的散射性質(zhì)及自然現(xiàn)象背后的物理規(guī)律.

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