光是地球生命的來(lái)源之一。光是人類生活的依據(jù)。光是人類認(rèn)識(shí)外部世界的工具。光是信息的理想載體或傳播媒質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類感官收到外部世界的總信息中，至少80%以上通過(guò)眼睛。

光線在均勻同種介質(zhì)中沿直線傳播。光通過(guò)不均勻介質(zhì)時(shí)一部分光會(huì)偏離原方向傳播，這是光的散射現(xiàn)象。自然界許多的現(xiàn)象與光的散射有關(guān)，比如蔚藍(lán)的天空、潔白的浪花等等，可以說(shuō)光的散射讓世界絢麗多彩。讓我們初步認(rèn)識(shí)一下光的色散。

我們知道視覺(jué)形成的過(guò)程如下：光線→角膜→瞳孔→晶狀體→玻璃體→視網(wǎng)膜（形成物像）→視神經(jīng)（傳導(dǎo)視覺(jué)信息）→大腦視覺(jué)中樞（形成視覺(jué)）。所以如果沒(méi)有光線進(jìn)入眼睛，是不會(huì)形成視覺(jué)的！

視覺(jué)原理示意圖

光線通過(guò)均勻的透明介質(zhì)(如玻璃、空氣、清水）時(shí)，從側(cè)面是難以看到光線的。如果介質(zhì)不均勻，如有懸浮微粒的渾濁液體，我們便可從側(cè)面清晰地看到光束的軌跡，這是介質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結(jié)果。前者幾乎沒(méi)有光線進(jìn)入眼睛，后者則是有光線進(jìn)入了眼睛。

光通過(guò)溶液與濁液的對(duì)比

下面我們就對(duì)光的散射給出定義：

由于介質(zhì)中存在的微小粒子或分子對(duì)光的作用，使光束偏離原來(lái)的傳播方向或波長(zhǎng)發(fā)生變化，向四周傳播的現(xiàn)象，稱為光的散射。

光的散射示意圖

對(duì)于光的散射可以進(jìn)行如下分類：

(說(shuō)明：l為散射粒子的線度；λ為光波的波長(zhǎng))

人們對(duì)光的散射現(xiàn)象最早的觀察要追溯到1802年德國(guó)化學(xué)家里希特（Richter）對(duì)金膠體的觀察。

光的散射的科學(xué)研究則始于1869年丁達(dá)爾（Tyndall）關(guān)于氣溶膠的工作。當(dāng)一束光線透過(guò)膠體，從垂直入射光方向可以觀察到膠體里出現(xiàn)的一條光亮的“通路”，這種現(xiàn)象叫丁達(dá)爾現(xiàn)象，也叫丁達(dá)爾效應(yīng)（Tyndall effect）。

各類丁達(dá)爾現(xiàn)象

在丁達(dá)爾的基礎(chǔ)上，英國(guó)物理學(xué)家瑞利（Lord Rayleigh，1842-1919，1904年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）于1899年對(duì)小粒子散射又進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)裝置如圖。

瑞利的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

進(jìn)一步研究表明，散射光的強(qiáng)度與光波波長(zhǎng)的四次方成反比，可表示為：

這條規(guī)律稱為瑞利散射定律。即：波長(zhǎng)愈短，散射愈強(qiáng)。

用這條規(guī)律可以解釋天空為什么是蔚藍(lán)的。

美麗的藍(lán)天

表面上看起來(lái)是純凈均勻的介質(zhì)，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)使分子密度有漲落而引起的散射，稱為分子散射。分子散射也滿足瑞利散射定律。這也就是白晝天空之所以是亮的原因，是陽(yáng)光被大氣散射的結(jié)果，如果沒(méi)有大氣，即使在白晝，人們仰觀天空，將看到光輝奪目的太陽(yáng)懸掛在漆黑的背景中，在太空所見(jiàn)的就是這種景象。

地球外太空

不僅白晝天空亮的原因是由于光的散射，而且天空是藍(lán)色的原因也是光的散射。我們知道太陽(yáng)發(fā)出的白光是復(fù)色光，由各種顏色的光復(fù)合而成。假設(shè)白光中波長(zhǎng)為720nm的紅光與波長(zhǎng)為440nm的青藍(lán)光具有相同的強(qiáng)度，由于兩種波長(zhǎng)之比為：λ紅：λ藍(lán)≈1.64。根據(jù)瑞利散射定律，散射光中藍(lán)光的強(qiáng)度與紅光強(qiáng)度之比為：I紅：I藍(lán)=(λ紅：λ藍(lán))^4≈7.2?？梢?jiàn)散射光中藍(lán)光的強(qiáng)度約為紅光強(qiáng)度的7.2倍，所以散射光中藍(lán)、靛、紫成分占80%左右。靛、紫兩種成分在太陽(yáng)光中占的比例本來(lái)就不大，因而天空呈現(xiàn)藍(lán)色。

既然太陽(yáng)發(fā)出的是白光，旭日和夕陽(yáng)為什么是紅色的？

在日出和日落之時(shí)，人們看到的太陽(yáng)確實(shí)是紅色的。

夕陽(yáng)紅

其實(shí)旭日和夕陽(yáng)呈紅色，與天空呈藍(lán)色屬于同一類現(xiàn)象。這是因?yàn)榇藭r(shí)的直射光線要在幾乎與地面相切的方向上長(zhǎng)距離地穿過(guò)稠密的大氣層，直射光中的每一種單色成分都按指數(shù)律衰減，短波成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余較多的自然是長(zhǎng)波成分了，最終自然是紅光占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。這便是旭日初升、夕陽(yáng)西下時(shí)顏色顯得特別殷紅的原因。

盡管日出和日落之時(shí)的直射光是紅色的，但夕陽(yáng)斜照下的白色墻壁不是呈現(xiàn)紅色，而是呈現(xiàn)橙黃色。這又是為什么？

朝陽(yáng)或夕陽(yáng)下的墻壁

這是因?yàn)閴Ρ诓粌H接受到紅色的直射光，還接受到來(lái)自天空的散射光。這時(shí)的大氣和云朵已不是對(duì)白光進(jìn)行散射，而是對(duì)已被濃密的大氣過(guò)濾過(guò)的以黃橙為主的直射光進(jìn)行散射。散射光的光源亮度雖遠(yuǎn)不及直射光的光源，但其面積遠(yuǎn)大于直射光的光源。最終的結(jié)果使得被陽(yáng)光照射的墻壁呈黃橙色。

因?yàn)榧t光透過(guò)散射物的穿透能力比藍(lán)光強(qiáng)，因此通常情況下，危險(xiǎn)信號(hào)燈、交通禁行燈等采用紅色，使有關(guān)人員在能見(jiàn)度低的情況下，能盡早發(fā)現(xiàn)采取措施。

紅色的信號(hào)燈

當(dāng)散射微粒的線度大于波長(zhǎng)時(shí)，瑞利散射定律不再成立，散射光強(qiáng)度與微粒的大小和形狀有復(fù)雜的關(guān)系。當(dāng)散射粒子的線度大于十分之幾波長(zhǎng)，甚至與波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)瑞利散射定律不再成立，此為大粒子散射，稱為米氏散射。

米（G.Mie)和德拜(P. Debye)分別于1908年和1909年以球形質(zhì)點(diǎn)為模型計(jì)算了電磁波的散射。米－德拜的計(jì)算表明，只有球半徑滿足

時(shí)，瑞利散射定律才是正確的。當(dāng)a較大時(shí)，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的依賴關(guān)系就不明顯了，米－德拜的計(jì)算結(jié)果如圖。

米－德拜的計(jì)算結(jié)果

當(dāng)入射光的波長(zhǎng)大于十分之一時(shí)，散射光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的依賴關(guān)系不明顯。因此散射光的顏色與入射光相近，白光入射將觀察到白色的散射光。

云霧中是透明的液滴，其尺寸多半在微米與亞毫米之間，即與光波的波長(zhǎng)相近，或是比后者大1～2個(gè)量級(jí)。發(fā)生的散射屬于米氏散射，這就是云霧呈白色的緣故。

關(guān)于瑞利散射和米氏散射的現(xiàn)象生活中隨處可見(jiàn)，例如，點(diǎn)燃的香煙冒出藍(lán)色的煙，但從口中吐出的煙卻是白色的。為什么呢？

青煙

這是因?yàn)榻M成煙的微小顆粒藍(lán)光散射強(qiáng)烈，發(fā)生瑞利散射；而從口中吐出的煙，由于凝聚了水蒸氣在其上，顆粒變大，屬于米氏散射，故呈現(xiàn)白色。

入射光與介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)間相互作用而引起的頻率發(fā)生改變的散射。1928年C.拉曼在液體和氣體中觀察到散射光頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，稱拉曼效應(yīng)或拉曼散射。 

拉曼散射和布里淵散射為研究分子結(jié)構(gòu)或晶體結(jié)構(gòu)提供了重要手段。借助于拉曼散射可快速定出分子振動(dòng)的固有頻率，并可決定分子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性、分子內(nèi)部的力等。激光問(wèn)世以來(lái)，關(guān)于激光的拉曼散射的研究更得到迅速發(fā)展。強(qiáng)激光引起的非線性效應(yīng)導(dǎo)致了新的拉曼散射現(xiàn)象，如在強(qiáng)激光作用下產(chǎn)生的受激拉曼散射，可獲得高強(qiáng)度的多個(gè)新波長(zhǎng)的相干輻射，用于大氣污染的測(cè)量。散射還可以應(yīng)用于測(cè)量微粒的大小，散射與通信技術(shù)關(guān)系也很密切。

光的散射肯定還有許多問(wèn)題值得人去探索，也有很多應(yīng)用待人去開(kāi)發(fā)。