散射

散射是被投射波照射的物體表面曲率較大甚至不光滑時，其二次輻射波在角域上按一定的規律作擴散分布的現象。它是分子或原子相互接近時，由於雙方具有很強的相互斥力，迫使它們在接觸前就偏離了原來的運動方向而分開，這通常稱為“散射”。散射是指由傳播介質的不均勻性引起的光線向四周射去的現象。如一束光通過稀釋後的牛奶後為粉紅色，而從側面和上面看，卻是淺藍色的。

基本介紹

• 中文名：散射
• 外文名：Scattering
• 拼音： sǎn shè
• 注音：ㄙㄢˇ ㄕㄜˋ

詞語概念

基本信息

詞目：散射

拼音： sǎn shè

注音： ㄙㄢˇ ㄕㄜˋ

解釋：[scatter] 由於粒子、光子或光波與其所穿過的媒介物的粒子互撞而射向不同方向。

引證解釋

1.謂禮射及習射。《周禮·夏官·司弓矢》：“恆矢痹矢，用諸散射。” 鄭玄 註：“二者皆可以散射也，謂禮射及習射也。”

2.指光線、聲音等由一點向四周發射、傳送。 茅盾 《子夜》一：“從屋子裡散射出來的無線電音樂在空中迴翔。” 楊朔 《征塵》：“電燈，因著電力的不足而散射著黃橙橙的光線。”

光線(或聲束)通過有塵土的空氣或膠質溶液等媒質時，部分光線(或聲線)偏離原方向而分散傳播的現象。例如因空氣中含有煙塵，所以室內可以看見從窗戶小孔射入的太陽光束，夜間可以看到探照燈的光芒。除光的散射外，粒子(如電子α粒子等)束在直進過程中，與物質發生相互作用而部分粒子偏離原方向前進的現象，亦稱散射。

簡介

光線通過有塵土的空氣或膠質溶液等媒質時，太陽輻射通過大氣時遇到空氣分子、塵粒、雲滴等質點時，都要發生散射。

光的散射

定義或解釋

光束通過不均勻媒質時，部分光束將偏離原來方向而分散傳播，從側向也可以看到光的現象，叫做光的散射。

說明

彈性散射（涉及極微小的能量轉移）主要有瑞利散射和米氏散射。

圖1 散射

①引起光散射的原因是傳播中的輻射受到局部位勢的作用。

②一般由光的散射的原因不同而將光的散射分為兩類：

a．丁達爾效應。顆粒渾濁媒質（顆粒線度略小於光的波長）的散射，散射光的強度和入射光的波長的關係不明顯，散射光的波長和入射光的波長相同。

b，分子散射。光通過純淨媒質時，由於構成該媒質的分子密度漲落而被散射的現象。分子散射的光強度和入射光的波長有關，但散射光的波長仍和入射光相同。

③瑞利定律。散射體為光的波長的十分之一左右，散射體的形變不再重要，可以近似為圓球。對入射光散射所遵循的規律是，散射光和入射光波長相同，散射光的強度和散射方向有關，並和波長的四次方成反比。按這一定律，短波光的散射比長波光要強得多，如太陽光中藍色光被微小塵埃的散射要比紅色光強十倍以上。晴朗的天空所以呈淺藍色，完全是大氣散射太陽光的結果。大氣的散射一部分來自懸浮的塵埃，大部分是密度漲落引起的分子散射。按瑞利定律，太陽光中的短波成分更多地被散射掉了，在直射的太陽光中剩餘較多的是長波成分。所以天空呈現藍色。

旭日和夕陽呈紅色。這是因為早晚陽光以很大的傾角穿過大氣層，經歷的大氣層要遠比中午時大得多，所有波長較短的藍光、黃光等幾乎朝側向散射，僅剩下波長較長的紅光到達觀察者（接近地面的空氣中有塵埃，更增強了散射作用）。

非彈性散射包括布里淵散射，拉曼散射，康普頓散射等等。

主要形式

1、光線通過有塵土的空氣或膠質溶液等媒質時，部分光線向多方面改變方向的現象。叫做光的散射。超短波發射到電離層時也發生散射。

圖2 散射

太陽輻射通過大氣時遇到空氣分子、塵粒、雲滴等質點時，都要發生散射。但散射並不象吸收那樣把輻射能轉變為熱能，而只是改變輻射方向，使太陽輻射以質點為中心向四面八方傳播開來。經過散射之後，有一部分太陽輻射就到不了地面。如果太陽輻射遇到的是直徑比波長小的空氣分子，則輻射的波長愈短，被散射愈厲害。其散射能力與波長的對比關係是：對於一定大小的分子來說，散射能力和波長的四次方成反比，這種散射是有選擇性的。例如波長為0.7微米時的散射能力為1，波長為0.3微米時的散射能力就為30。因此，太陽輻射通過大氣時，由於空氣分子散射的結果，波長較短的光被散射得較多。雨後天晴，天空呈青蘭色就是因為輻射中青蘭色波長較短，容易被大氣散射的緣故。如果太陽輻射遇到直徑比波長大的質點，雖然也被散射，但這種散射是沒有選擇性的，即輻射的各種波長都同樣被散射。如空氣中存在較多的塵埃或霧粒，一定範圍的長短波都被同樣的散射，使天空呈灰白色的。有時為了區別有選擇性的散射和沒有選擇性的散射，將前者稱為散射，後者稱為漫射。

2、兩個基本粒子相碰撞，運動方向改變的現象。

3、在某些情況下，聲波投射到不平的分界面或媒質中的微粒上而不同方向傳播的現象，也叫亂反射。

與衍射的關係

散射是指光線被無數小微粒各自反射到四面八方，比如說晚上在外面打開手電會看見光柱，按理說手電不對著你的眼睛，光線不會自己拐彎鑽進你的眼睛，那你怎么會看見光柱呢？那是因為手電光被小塵埃阻擋並反射到四面八方，一部分反射到你的眼睛裡。這就叫散射。衍射是指波在經過縫隙或障礙物在它並未經過的部位也引起了波的現象（看看物理書上的圖），縫隙或障礙物的尺寸跟波長差不多或比較小時這種現象才會明顯。

圖3 散射

瑞利散射

科技名詞定義中文名稱：瑞利散射英文名稱：Rayleigh scattering 其他名稱：分子散射

定義1：尺度遠小於入射光波長的粒子所產生的散射現象。根據英國物理學家瑞利(Lord John William Rayleigh，1842—1919)研究指出，分子散射強度與入射光的波長四次方成反比，且各方向的散射光強度是不一樣的。 套用學科：大氣科學（一級學科）；大氣物理學（二級學科）。

定義2：在介質中傳播的光波，由於材料的原子或分子結構隨距離變化而引起的散射。 套用學科：通信科技（一級學科）；通信原理與基本技術（二級學科） 。

瑞利，十九世紀最著名的物理學家之一，1842年11月12日出生於英國的莫爾登。據說，瑞利剛開始上學時並不用功，他雖然人很聰明，可卻十分貪玩，學習成績一直平平。10歲那年曾連續兩次逃學，為此，他的爸爸媽媽很替他著急，為了孩子的前途，他們決定遷居倫敦。環境的改變，對瑞利的成長起到了良好的作用。另外，瑞利的父母還特地為他聘了一名家庭女教師，從此瑞利一改以前貪玩的習性，一心埋進書本中。

瑞利對物理學做出了很大的貢獻，他在聲學、波的理論、光學、光的散射、電力學、電磁學、水力學、液體流動理論方面都做出了不可磨滅的貢獻，1904年，他因和拉姆塞同時發現了惰性元素氬（Ar）而榮獲了該年度的諾貝爾物理學獎。 1871年，瑞利在經過反覆研究，反覆計算的基礎上，提出了著名的瑞利散射公式，當光線入射到不均勻的介質中，如乳狀液、膠體溶液等，介質就因折射率不均勻而產生散射光。

瑞利研究表明，即使是均勻介質，由於介質中分子質點不停的熱運動，破壞了分子間固定的位置關係，從而也產生一種分子散射，這就是瑞利散射。瑞利經過計算認為，分子散射光的強度與入射光的頻率（或波長）有關，即四次冪的瑞利定律正午時，太陽直射地球表面，太陽光在穿過大氣層時，各種波長的光都要受到空氣的散射，其中波長較長的波散射較小，大部分傳播到地面上。而波長較短的蘭，綠光，受到空氣散射較強，天空中的蘭色正是這些散射光的顏色，因此天空會呈現藍色。

圖4 散射

正是由於波長較短的光易被散射掉，而波長較長的紅光不易被散射，它的穿透能力也比波長短的藍、綠光強，因此用紅光作指示燈，可以讓司機在大霧迷漫的天氣里容易看清指示燈，防止交通事故的發生。

拉曼散射

拉曼散射（Ramanscattering），光通過介質時由於入射光與分子運動相互作用而引起的頻率發生變化的散射。又稱拉曼效應。1923年A.G.S.斯梅卡爾從理論上預言了頻率發生改變的散射。1928年，印度物理學家C.V.拉曼在氣體和液體中觀察到散射光頻率發生改變的現象。拉曼散射遵守如下規律：散射光中在每條原始入射譜線(頻率為v0)兩側對稱地伴有頻率為v0±vi(i=1，2，3，…）的譜線，長波一側的譜線稱紅伴線或斯托克斯線，短波一側的譜線稱紫伴線或反斯托克斯線；頻率差vi與入射光頻率v0無關，由散射物質的性質決定，每種散射物質都有自己特定的頻率差，其中有些與介質的紅外吸收頻率相一致。拉曼散射的強度比瑞利散射（見光的散射）要弱得多。 以經典理論解釋拉曼散射時，認為分子以固有頻率vi振動，極化率（見電極化率）也以vi為頻率作周期性變化，在頻率為v0的入射光作用下，v0與vi兩種頻率的耦合產生了v0、v0+vi和v0-vi3種頻率。頻率為v0的光即瑞利散射光，後兩種頻率對應拉曼散射譜線。拉曼散射的完善解釋需用量子力學理論，不僅可解釋散射光的頻率差，還可解決強度和偏振等一類問題。

圖5 散射

拉曼散射為研究晶體或分子的結構提供了重要手段，在光譜學中形成了拉曼光譜學的一分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振動的固有頻率，並可決定分子的對稱性、分子內部的作用力等。自雷射問世以後，關於雷射的拉曼散射的研究得到了迅速發展，強雷射引起的非線性效應導致了新的拉曼散射現象。

米氏散射

米氏散射（Mie scattering）

I(λ) scattering∝I(λ)incident/λ

米氏發表了任何尺寸均勻球形粒子散射問題的嚴格解，具有極大的實用價值，可以研究霧、雲、日冕、膠體和金屬懸浮液的散射等。

當大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當時發生的散射稱為米氏散射。

這種散射主要由大氣中的微粒，如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起。米氏散射的輻射強度與波長的二次方成反比，散射在光線向前的方向比向後的方向更強，方向性比較明顯。如雲霧的粒子大小與紅外線(0.7615um)的波長接近，所以雲霧對紅外線的輻射主要是米氏散射。是故，多雲潮濕的天氣對米氏散射的影響較大。

衛星通信中的散射

散射與通信技術關係也很密切，如利用對流層、電離層以及流星余跡的散射可對上百乃至幾百公里距離的定點進行微波或超短波通信，是跨越不能設中繼站的地段進行通信的有力措施。此外，微波特別是毫米波穿越雨雲和雨幕時，水滴乃至分子的散射與吸收所引起的衰減是不能忽視的。

對流層中隨時存在著尺度不同（約10～100m）的湍流區。湍流區內與周圍介質的折射率有10-6數量級的差別。這些湍流區如同浸在均勻大氣中的介質塊，在投射被照射下，其極化電流的輻射場即是散射場，團塊極化電流的相位沿著投射波的傳播方向逐漸落後。類似行波天線的原理，其前向散射強度遠大於背向散射。利用這種前向散射可以進行遠距離通信。有效的散射區是收、發天線主波瓣端部相交的區域，見圖。由於團塊的運動、生滅和分布都是隨機的，因而接收信號的幅度和相位也都是隨機起伏的。由於團塊內外折射指數相差甚微，必須使用較高的頻率（常用微波）和相當大的發射功率，才能引起可觀的極化電流。收、發天線也必須有較高的增益。

圖6 前向散射通信

在電離層中也經常存在著電子濃度與周圍有差異的團塊。由於頻率越高電漿的折射指數越接近於真空，所以利用電離層的不均勻性進行散射通信時只能用米波，而且信號頻帶受到限制。

太陽系大量微粒和流星以12～-72km/s的相對速度與地球相遇時，大多數情形因灼熱而氣化，飛出的原於與大氣分子碰撞而引起電離，選就是流星的電離余跡，它是細長的電漿柱。肉眼能觀察到高度約100km的流星，其餘跡上每米長有1014個以上的自由電子，能在1秒乃至幾分鐘時間內散射米波，在高空風作用下先變形而後散失。估計每一晝夜約有108個這種流星進入大氣，所以這種電離余跡是經常存在的，只是要在發現余跡出現後立即進行斷續通信。其散射的方向性較強，與電離層不均性散射相比，同樣的發射功率下，通信容量增大至10倍或10倍以上。

由於衛星通信的使用，散射通信的必要性已很小，但衛星數量加多必終致發生信道擁擠；空間武器的發展使通信衛星在戰爭中難免被破壞，散射通信或將再度受重視。

對衛星通信和直接廣播影響最明顯的是散射衰減。水珠、雪片乃至大氣分子在電磁波照射下，其極化電流的輻射把照射波的能流轉化為散射能流和質點的內能，因而使照射波受到衰減。在厘米波段，每一水滴如同一個電偶極子。雨滴散射的散射衰減隨頻率提高而加大。在毫米波段則進入散射的諧振區。散射衰減隨頻率增大較快，例如每小時12．5mm的降水中，每公里的衰減分貝數，λ=3cm時約為0．285，λ=1cm時約為2．73，λ=6mm時約為4．72，而λ=3mm時則約為6．72。水蒸汽和氧分子對於毫米波的某些頻率也有強烈的衰減：水汽對於λ=1．35cm的波約有2dB/km的衰減，氧對於λ=5mm和2．5mm的波衰減分別達到3．4和14dB/km。因此對於毫米波通信和廣播必須選用衰減峰之間的頻率，以避免過大的衰減；在計算發射功率時，必須留出足夠的餘量以彌補傳播途徑中的衰減。