電磁波的散射，當電磁波入射到巨觀物體或微觀電子上時，引起物體上的誘導電荷和電流，或改變電子運動，從而向各個方向輻射電磁波的過程。
基本介紹
- 中文名：電磁波的散射
- 屬性：物理學術語
以光波為例，它主要和物質（氣、液、固）中的電子發生相互作用。因此，當光波入射到物體上時，波的電場使物質中的電子受到加速。這些加速了的電子沿不同方向輻射出電磁波(見電磁輻射)，結果，沿入射波傳播方向的輻射將有所減弱，所減弱的能量分布到其他方向上。電磁波的散射是自然界中重要而普遍的現象之一，並有著廣泛的套用。在波長極短的情形下，光的量子性十分顯著，這時光的散射又稱為光子的散射。波長小於4×10-12m的電磁波的散射稱為γ光子散射，它是研究核結構的工具之一；稍長的波長稱為X射線的散射，它是研究晶體結構極有力的分析方法；在可見光區內，光的散射產生五彩繽紛的自然景象，如藍天、紅日和白雲；有源遙感是通過可見光、紅外線和微波的散射數據來確定目標性質的一種新技術；微波的散射是雷達確定目標的方位和距離的主要依據；超短波在對流層中的散射可以用作遠距離的通信；等等。下面說明一些散射的主要特徵。無線電波的散射 無線電波是波長較長的電磁波，當無線電波入射到尺寸較波長小得多的障礙物時，即發生散射。如障礙物尺寸比波長大，一部分遭受反射，一部分則繞過此障礙物產生所謂衍射現象。儘管原則上散射場可以根據麥克斯韋方程組及邊界條件求得，但只有少數比較簡單的情況，如處於均勻各向同性媒質中幾何形狀比較簡單的障礙物(如柱、球、錐、尖劈、狹縫等)的散射，才能求出其精確解。近40年來，由於實踐的需要，經典散射理論頗受科技界重視，並發展了旋磁媒質和旋電媒質電動力學，提出了許多探討任意形狀障礙物散射的近似方法，如幾何衍射法、變分法、微擾法、矩量法、單矩法、有限元法等。新的近似方法還在不斷湧現。例如，E.M.珀塞耳與C.R.彭尼帕克曾把一個任意形狀由任意電磁媒質構成的障礙物用一個由基本偶極子所組成的粗粒點陣列來代替，使用電子計算機通過疊代法計算，可以求出一個自洽散射解。把這種計算結果和球體的精確解進行比較，可以看出，在的波長範圍內兩者是一致的。這裡r是球的半徑，λ是波長。這一方法可以套用於星際粒子對光的散射和吸收。數值計算是一種近年來發展起來的、令人矚目的處理散射的近似方法。如果媒質是均勻各向同性的，則電磁波的傳播不受干擾，也不發生偏轉，如果媒質的電磁性質隨空間或時間而變化，則波將發生散射。在高層大氣中，由大氣密度漲落所引起的無線電波的無規漫射，使遠距離通信成為可能。根據從入射波吸收能量和稍後發生再輻射相隔時間的長短，可以對散射過程進行分類。真正的“散射”基本上是瞬時的過程。如果吸收和再輻射之間有可覺察的時間延遲，則這一過程稱為發光。如果延遲為微秒量級，該過程稱為螢光。通常稱長達幾秒的延遲情況為磷光。喇曼散射 按照入射波和散射頻率偏移，瞬時散射過程可作進一步分類。有些散射是“彈性的”；在這過程中，只有相移，沒有頻移。1928年，印度物理學家C.V.喇曼發現了光的非彈性散射過程（見喇曼效應）。即當入射到分子上的是單色光時，在散射光的頻譜中，入射線兩側的對稱位置上，出現一些新的弱譜線，長波側的譜線較短波側的強些。前者稱為斯托克斯線，後者稱為反斯托克斯線，兩者統稱喇曼譜線。產生喇曼散射的原因是散射分子的轉動能態和振動能態發生變化，結果散射光的頻率不同於入射光。這一效應是分析分子結構的有力工具。廣義來講，光波受到磁性晶體的自旋波、半導體中的電漿波以及受到諸如“旋子”(超流氦的元激發)的外來激勵而引起的非彈性散射，均可稱為喇曼散射。瑞利散射 是一種由熱力學漲落(密度、溫度漲落)所引起的彈性散射。在固體中，這種效應被缺陷和雜質的散射所掩蓋。在流體中，假設粒子的線性尺寸遠比入射光的波長要小，可推導出下列關係（瑞利，1871）：，式中I(θ)是在(R，θ)處的散射光強，I0和λ分別是入射波的光強與波長，d是散射粒子數，V是粒子的體積，n是流體的折射率，由於入射波是非偏振光，上式中出現了(1+cos2θ)乘子，這裡θ是入射線和散射線之間的夾角，通常稱為散射角。上式表示散射光強和入射波波長的四次方成反比，這就是通常稱為的瑞利定律。按照這一定律，可見光頻譜中，λ=400mm的紫光的散射光強要比λ=700nm的紅光大十倍左右。下表列出了可見光頻譜中六種譜色的相對光強I/Ir。這裡，Ir表示紅光的散射光強。根據瑞利定律計算出的六種譜色的相對光強當日光投射到地球大氣層時，頻譜中各成分受到大氣分子散射的結果使天空呈現淺藍色。這一顏色是上表中列出的六種譜色的相對光強的混合產物。日落時，日光穿過較厚的大氣層，除紅色外，日光中的其他譜色強烈地被散射掉，因而呈現紅色。如果散射粒子的尺寸和波長相當，或比光波波長大，在這種情況下散射光強和入射波頻率幾乎無關。這種散射稱為廷德耳效應。在雲層中，水滴的尺寸比可見光波長要大，因而呈現白色。在近代技術中，光散射是一種重要的分析工具。例如，可以用它確定散射粒子的大小與數密度或散射物質的分子量。星際塵埃可以散射通過宇宙空間的光，儘管散射光本身已減弱到難以檢測的程度，但通過透射光的分析，可以求出塵埃的含量及其性質。非線性散射 由於高功率脈衝雷射器的問世，出現了許多新的散射現象。這些現象有：①光學倍頻，入射波束中兩個光子轉換成一個能量加倍的光子。例如，從紅寶石雷射器所發出的光子變成頻率為原來的兩倍的光子。②光學三次諧波。③光學混頻，兩束雷射相遇後所產生的散射光，其頻率為兩個入射波的頻率之差。④超喇曼效應，散射光的頻率是入射光的兩倍加上(或減去)v′＝E′/h，其中E′是振動能，h是普朗克常數。這些現象都是在極高功率下所發生的強烈散射作用（見非線性光學）。這些非線性散射現象可能在無線電物理研究中具有重要意義。康普頓散射 1922年，美國物理學家A.H.康普頓發現:在散射的X光中有頻率略低於入射波的譜線（見康普頓效應）。根據能量為hv、動量為hv/с的光子和處於靜止狀態的電子之間彈性碰撞所要求的能量守恆與動量守恆原理，可以得到λ′-λ=λσ(1-cosθ)，式中λ與λ′分別表示入射與散射光子的波長，散射角θ是入射與散射光子方向之間的夾角，常數λσ=h/mс，稱為康普頓波長，其值為0.0243×10-10m。這一效應證實了電磁輻射粒子的性質。參考書目 J.R.Mentzer，ScatteringandDiffRactionofRadioWαves，PergamonPress，London，1955.
