瑞利散射和米氏散射現(xiàn)象的實驗演示

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(cè)向進行觀察就難以觀察到光,但當光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時,從側(cè)向卻可以看到光,這個現(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(guī)則,因此,在光作用下的振動彼此間就沒有固定的相位關(guān)系,在任何觀察點所看到的總是它們所發(fā)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(guān),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(xué)者對于光散射現(xiàn)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(xué)反應(yīng),產(chǎn)生線度小于可見光波長硫分子;利用硫分子的凝聚,產(chǎn)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(yīng)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(xiàn)不同顏色等自然現(xiàn)象,具有實驗裝置簡單,物理現(xiàn)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(zhì)的密度起伏導(dǎo)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(shè)入射光是自然光,則在與入射光方向呈θ角(習(xí)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(qū)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(shù)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(guān)系逐漸減弱,而且散射光強隨波長的變化出現(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(xué)反應(yīng)過程的持續(xù),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(jié)成不溶于水的硫顆粒,其線度接近和大于光波長,產(chǎn)生米氏散射.

3 實驗裝置及現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(yīng)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(xué)反應(yīng)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(fā)出的強光產(chǎn)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(cè)面透過偏振片觀察溶液,轉(zhuǎn)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(xiàn)象,可以向?qū)W生解釋晴朗天空呈藍色的原因,是大氣散射陽光的結(jié)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(chǎn)生瑞利散射.根據(jù)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(xiàn)象更加明顯,故散射光中波長較短的藍光占優(yōu)勢,天空呈藍色.

2)隨著反應(yīng)繼續(xù)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(fā)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(yīng)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(cè)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(yīng)結(jié)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(chǎn)生固態(tài)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(xiàn)象與以下的自然現(xiàn)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(yīng)不再存在,不同波長的光都將被散射,所以天空呈現(xiàn)白茫茫的顏色[7].

4 結(jié)束語

本實驗通過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生直觀地演示瑞利散射和米氏散射.實驗過程簡單、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.

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

[2] 婁本濁.多模光纖式動態(tài)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(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2008:226-228.

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

[6] 姚啟鈞.光學(xué)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(xué)探究實驗設(shè)計[J].教學(xué)儀器與實驗,2005,21(8):23-24.