瑞利散射導致白天的天空的藍色色調和太陽在日落發紅。
瑞利散射在日落之後更加明顯。這張照片是在日落後,大約一小時在500米海拔高度拍攝,方向对着在地平線上的太陽。
激光器 的光束是可見的,部分原因是因為存在於空氣中的各種顆粒和分子的瑞利散射。
瑞利散射 (英語:Rayleigh scattering ),由英国物理学家第三代瑞利男爵約翰·斯特拉特 (John Strutt, 3rd Baron Rayleigh)的名字命名。[1] [2] [3] [4] 它是半径比光 或其他電磁 輻射的波长 小很多的微小颗粒(例如單個原子或分子)对入射光束的散射。瑞利散射在光通過透明的固體和液體時都會發生,但以氣體 最為顯著。在大氣中,太陽光的瑞利散射會導致瀰漫天空輻射 ,這也是天空为藍色和太陽偏黃色的原因。
瑞利散射光的強度和入射光波长λ的四次方成反比:
I
(
λ λ -->
)
s
c
a
t
t
e
r
i
n
g
∝ ∝ -->
I
(
λ λ -->
)
i
n
c
i
d
e
n
t
λ λ -->
4
{\displaystyle I(\lambda )_{scattering}\propto {\frac {I(\lambda )_{incident}}{\lambda ^{4}}}}
其中
I
(
λ λ -->
)
i
n
c
i
d
e
n
t
{\displaystyle \scriptstyle I(\lambda )_{incident}}
是入射光的光強分布函數。
因此,波長較短的藍光 比波長較長的紅光 更易產生瑞利散射。
應用
該圖顯示在大氣中,相對於紅光,藍光的散射光比例比较大。
瑞利散射適用於尺寸遠小於光波長的微小顆粒,和光學的“軟”顆粒(即其折射率 接近1)。当顆粒尺度相似或大於散射光的波長时,通常是由米氏散射 理論、離散偶極子近似 和其它計算技術来處理。
瑞利散射可以解釋為甚麼白天的天空多為藍色。白天,尤其太陽在頭頂時,當太陽光經過大氣層時,與半徑遠小於可見光的波長的空氣分子發生瑞利散射,因為藍光比紅光波長短,瑞利散射較激烈,被散射的藍光佈滿了整個天空,從而使天空呈現藍色。而紫光雖然波長較藍光更短,散射較激烈,能量也較高,但因人眼對不同顏色的敏感度不同,以黃綠色敏感度最高,往兩邊呈鐘形分佈,換言之,人眼對藍色的敏感度遠大於紫色,所以天空看起來仍是藍色。而人所見的太陽光因為多為直射光而非散射光,所以顏色基本上未改變,仍呈現白色——波長較長的紅黃色光與波長較短的藍綠色光(少量被散射了)的混合。
瑞利散射也可以解釋為甚麼當日出或日落時,雲朵多為紅橙色。當日出或日落時,太陽幾乎在我們視線的正前方,此時太陽光在大氣中要走相對較長的路程,所看到的直射光中的藍光大量都被散射了,只剩下紅橙色的光,因此太陽附近呈現紅色,雲朵也因反射太陽光而呈現紅橙色,而天空則呈現較為昏暗的藍黑色。
事實上,月球的天空即使在白天也是黑的,便是因為其並無大氣層,缺乏瑞利散射所致。
推導
大氣中的分子在入射光電矢量作用下會極化,從而產生偶極輻射,輻射能流密度的平均值為
⟨ ⟨ -->
S
⟩ ⟩ -->
=
(
μ μ -->
0
p
0
2
ω ω -->
4
32
π π -->
2
c
)
sin
2
-->
θ θ -->
r
2
r
^ ^ -->
{\displaystyle \langle \mathbf {S} \rangle ={\bigg (}{\frac {\mu _{0}p_{0}^{2}\omega ^{4}}{32\pi ^{2}c}}{\bigg )}{\frac {\sin ^{2}\theta }{r^{2}}}\mathbf {\hat {r}} }
。
瑞利非偏振散射光強度
I
0
{\displaystyle I_{0}}
表示入射光強度,
θ θ -->
{\displaystyle \theta }
爲入射光與散射光的夾角.
I
=
I
0
8
π π -->
4
α α -->
2
λ λ -->
4
R
2
(
1
+
cos
2
-->
θ θ -->
)
.
{\displaystyle I=I_{0}{\frac {8\pi ^{4}\alpha ^{2}}{\lambda ^{4}R^{2}}}(1+\cos ^{2}\theta ).}
參見
參考
^ Strutt, J.W. XV. On the light from the sky, its polarization and colour . The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1871-02, 41 (271). ISSN 1941-5982 . doi:10.1080/14786447108640452 (英语) .
^ Strutt, J.W. LVIII. On the scattering of light by small particles . The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1871-06, 41 (275). ISSN 1941-5982 . doi:10.1080/14786447108640507 (英语) .
^ Rayleigh, Lord. X. On the electromagnetic theory of light . The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1881-08, 12 (73). ISSN 1941-5982 . doi:10.1080/14786448108627074 (英语) .
^ Rayleigh, Lord. XXXIV. On the transmission of light through an atmosphere containing small particles in suspension, and on the origin of the blue of the sky . The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1899-04-01, 47 (287). ISSN 1941-5982 . doi:10.1080/14786449908621276 .
參考書籍
C.F. Bohren, D. Huffman, Absorption and scattering of light by small particles , John Wiley, New York 1983. Contains a good description of the asymptotic behavior of Mie theory for small size parameter (Rayleigh approximation).
Ditchburn, R.W. Light 2nd. London: Blackie & Sons. 1963: 582–585 . ISBN 978-0-12-218101-6 .
Chakraborti, Sayan. Verification of the Rayleigh scattering cross section . American Journal of Physics. 2007-09, 75 (9) [2022-11-20 ] . Bibcode:2007AmJPh..75..824C . ISSN 0002-9505 . arXiv:physics/0702101 . doi:10.1119/1.2752825 . (原始内容存档 于2022-11-20) (英语) .
Ahrens, C. Donald. Meteorology Today: an introduction to weather, climate, and the environment 5th. St. Paul MN: West Publishing Company. 1994: 88–89 . ISBN 978-0-314-02779-5 .
Lilienfeld, Pedro. A Blue Sky History . Optics and Photonics News. 2004-06-03, 15 (6). ISSN 1047-6938 . doi:10.1364/OPN.15.6.000032 (英语) .