瑞利散射和米氏散射現象的實驗演示

王 崢,徐 平,,王文文,J.Tuteu

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

1 引 言

光的散射是一種重要的物理現象.在光學性質均勻的介質中或2種折射率不同的均勻介質的界面上,無論光的直射、反射或折射,都僅限于在給定的一些方向上,而在其余方向光強則等于零,因此沿光束的側向進行觀察就難以觀察到光,但當光束通過光學性質不均勻的物質時,從側向卻可以看到光,這個現象就是光的散射[1].

光學性質的不均勻可能是由于均勻物質中散布著其他物質的大量微粒,也可能是由物質本身的組成部分(粒子)的不規則聚集所造成,例如塵埃、煙、霧、懸浮液、乳狀液以及毛玻璃等.由于這些微粒的線度一般小于或近似等于入射光的波長,而它們相互之間的距離比波長大,且排列得毫無規則,因此,在光作用下的振動彼此間就沒有固定的相位關系,在任何觀察點所看到的總是它們所發出的次級輻射的不相干疊加,到處不會相消,從而形成了散射光.由微粒引起的散射,其特征與微粒的線度有關,其中,線度小于光波長的微粒對入射光的散射,稱為瑞利散射;線度接近或大于光波長的微粒對入射光的散射,為米氏散射.近年來,一些學者對于光散射現象進行了各種實驗研究[2-3].

本實驗利用硫代硫酸鈉和稀鹽酸的化學反應,產生線度小于可見光波長硫分子;利用硫分子的凝聚,產生線度接近或大于與可見光波長相近的顆粒.在上述過程中通過白光照射反應液,可以直觀地演示瑞利散射和米氏散射,并研究和分析瑞利散射時光的偏振特性;也可以通過該實驗解釋藍天、白云以及日出日落與正午時天空呈現不同顏色等自然現象,具有實驗裝置簡單,物理現象明顯,操作方便等特點,非常適合作為物理課堂演示實驗.

2 實驗原理

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,也適用于純凈介質的密度起伏導致的散射.瑞利散射具有以下4個特征[4]:

1)波長不變,即散射光波長與入射光波長相同.

2)散射光強度與波長四次方成反比,即 I∝1/λ4.

3)散射光強依空間方位呈啞鈴形角分布.設入射光是自然光,則在與入射光方向呈θ角(習慣上稱為散射角)的方向上,散射光強為

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

圖1 自然光瑞利散射光強的角分布

4)當自然光入射時,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別在于,米氏散射微粒較大,線度接近或大于光波長.當粒子線度a與光波長可以比擬(a/λ數量級為0.1～10)甚至更大時,隨著粒子線度的增大,散射光強與波長的依賴關系逐漸減弱,而且散射光強隨波長的變化出現起伏,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 不同尺度顆粒的產生

硫代硫酸鈉與稀鹽酸反應,在溶液中緩慢產生不溶于水的固態硫分子:

由于溶液較稀,開始時只有少量硫分子,其顆粒線度小于光波長,滿足瑞利散射條件;隨著化學反應過程的持續,濃度不斷增大,對光的散射也不斷增強.接著多個硫分子聚結成不溶于水的硫顆粒,其線度接近和大于光波長,產生米氏散射.

3 實驗裝置及現象觀察

3.1 實驗裝置

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

圖3 實驗裝置示意圖

3.2 實驗現象觀察

打開膠片投影儀,將透明玻璃水槽置于膠片投影儀上.膠片投影儀發出的強光透過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)隨著反應的進行,玻璃水槽中的溶液由無色逐漸變成淺藍色,這是由于化學反應生成了顆粒線度遠小于可見光波長的硫分子,對膠片投影儀所發出的強光產生了瑞利散射,散射光的強度正比于1/λ4.顯然短波長的藍光更容易被散射,因而觀察到溶液呈淺藍色.從側面透過偏振片觀察溶液,轉動偏振片,可以觀察到溶液散射光強度的變化,這是因為垂直入射光方向上的散射光是線偏振光,而散射光總體特性是部分偏振光.

利用這一現象,可以向學生解釋晴朗天空呈藍色的原因,是大氣散射陽光的結果.由于大氣的散射,將陽光從各個方向射向觀察者,我們才看到了光亮的天穹.如果沒有大氣層,即使在白天,人們仰望天空,將看到光耀眩目的太陽懸掛在漆黑的背景中,就像宇航員在太空見到的空中景象[4-6].而晴朗的天空之所以呈淺藍色,是因為天氣晴朗時,大氣層中氣體分子、塵埃和水分子的顆粒尺寸較小,對陽光產生瑞利散射.根據瑞利定律,淺藍色和藍色光比黃色和紅色的光波長短,因此散射現象更加明顯,故散射光中波長較短的藍光占優勢,天空呈藍色.

2)隨著反應繼續進行,溶液越來越渾濁.這時觀察白屏,可以看到從膠片投影儀發出的光,穿過溶液照射到白屏上呈暗紅色.這是因為隨著反應的進行,散射分子的濃度越來越大,波長較短的光大部分被散射,只有波長較長的紅光穿過了溶液,到達了白屏上.

這就如同清晨日出或傍晚日落時,看到太陽呈紅色.因為此時太陽光幾乎平行于地平面,光線穿過的大氣層最厚,如圖4所示[1,6].所有波長較短的藍光、黃光等幾乎都朝側向散射,接近地面的空氣中有塵埃,更增強了散射作用,最終僅剩下波長較長的紅光到達觀察者.

圖4 散射引起的天色和日色

3)反應結束時,溶液呈乳白色.硫粒子尺寸增大,已超過瑞利散射的范圍,散射光的強度不再隨波長變化,而產生固態硫的濃度也逐漸增大,使得所有波長的光均被散射,觀察者就觀察到了乳白色的溶液.

這時教師可以將此實驗現象與以下的自然現象相比較:當空中有霧或薄云存在時,因為水滴的直徑比可見光波長大得多,選擇性散射的效應不再存在,不同波長的光都將被散射,所以天空呈現白茫茫的顏色[7].

4 結束語

本實驗通過硫代硫酸鈉溶液與稀鹽酸溶液混合產生的化學反應,向學生直觀地演示瑞利散射和米氏散射.實驗過程簡單、現象明顯,便于幫助學生更好地理解和掌握光的散射性質及自然現象背后的物理規律.

[1] 郭永康.光學[M].北京:高等教育出版社,2005:369-375.

[2] 婁本濁.多模光纖式動態光散射實驗研究[J].物理實驗,2008,28(8):5-8.

[3] 何曉燕.血液的光散射特性[J].物理實驗,2006,26(12):33-34.

[4] 崔宏濱,李永平,段開敏.光學[M].北京:科學出版社,2008:226-228.

[5] 趙建林.光學[M].北京:高等教育出版社,2006:327-331.

[6] 姚啟鈞.光學教程[M].北京:高等教育出版社,2008:275-280.

[7] 李維.一例新奇的綜合科學探究實驗設計[J].教學儀器與實驗,2005,21(8):23-24.