懿之的博客
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2011-04-29 12:55
瑞利散射(Rayleigh scattering),丁达尔效应(Tyndall effect)拉曼散射和布里渊散射(Brillouin scatterring)
瑞利散射
指散射光波长等于入射光波长,而且散射粒子远远小于入射光波长,没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。
如右图所示，将
强光源S所发出的光束入射到装满水的玻璃容器上，水内加上几滴牛奶使之成为浑浊物质，光通过这类物质后发生散射，从正侧方向（垂直于入射光的传播方向，如Z方向）观察时，散射光带青蓝色，即比入射光含有较多的短波；从面对入射光的方向（X方向）看，则通过容器的光显得比较红。 1871年，瑞利在经过反复研究，反复计算的基础上，提出了著名的瑞利散射公式，当光线入射到不均匀的介质中，如乳状液、胶体溶液等，介质就因折射率不均匀而产生散射光。瑞利研究表明，即使均匀介质，由于介质中分子质点不停的热运动，破坏了分子间固定的位置关系，从而也产生一种分子散射，这就是瑞利散射。瑞利经过计算认为，瑞利散射光的強度和入射光波长λ的4次方成反比：
其中
是入射光的光強分布函數。
也就是說，波長較短的藍光比波長較長的紅光更易散射是入射光的光強分布函數。瑞利散射可以解释天空为什么是蓝色的。白天，太阳在我们的头顶，当日光经过大气层时，与空气分子(其半径远小于可见光的波长)发生瑞利散射，因为蓝光比红光波长短，瑞利散射发生的比较激烈，被散射的蓝光布满了整个天空，从而使天空呈现蓝色，但是太阳本身及其附近呈现白色或黄色，是因为此时你看到更多的是直射光而不是散射光，所以日光的颜色（白色）基本未改变——波长较长的红黄色光与蓝绿色光（少量被散射了）的混合。
当日落或日出时，太阳几乎在我们视线的正前方，此时太阳光在大气中要走相对很长的路程，你所看到的直射光中的蓝光大量都被散射了，只剩下红橙色的光，这就是为什么日落时太阳附近呈现红色，而天空的其它地方由于光线很弱，只能说是非常昏暗的蓝黑色。如果是在月球上，因为没有大气层，天空即使在白天也是黑的。
正是由于波长较短的光易被散射掉，而波长较长的红光不易被散射，它的穿透能力也比波长短的蓝、绿光强，因此用红光作指示灯，可以让司机在大雾迷漫的天气里容易看清指示灯，防止交通事故的发生。
丁达尔效应（Tyndall effect）：
当一束光线透过胶体，从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，这种现象叫丁达尔现象，也叫丁达尔效应（Tyndall effect）、丁泽尔现象、丁泽尔效应。
森林中丁达尔现象的反射；如果粒子小于入射光波长，则发生光的散射，这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光，称为散射光或乳光。丁达尔效应就是光的散射现象或称乳光现象。由于溶胶粒子大小一般不超过100 nm，胶体粒子介于溶液中溶质粒子和浊液粒子之间，其大小在1～100nm。小于可见光波长（400 nm～700 nm），因此，当可见光透过溶胶时会产生明显的散射作用。而对于真溶液，虽然分子或离子更小，但因散射光的强度随散射粒子体积的减小而明显减弱，因此，真溶液对光的散射作用很微弱。此外，散射光的强度还随分散体系中粒子浓度增大而增强。 所以说，胶体能有丁达尔现象，而溶液几乎没有，可以采用丁达尔现象来区分胶体和溶液，注意：当有光线通过悬浊液时有时也会出现光路，但是由于悬浊液中的颗粒对光线的阻碍过大，使得产生的光路很短。
Models of light scattering can be
divided into three domains based on a dimensionless size parameter, α which is
defined as 
where πDp is the circumference of a particle and λ
is the wavelength of incident radiation. Based on the value of α, these domains
are:α<<1: Rayleigh scattering (small particle compared to wavelength of light)
α≈1: Mie scattering (particle about the same size as wavelength of light)
α>>1: Geometric scattering (particle much larger than wavelength of light)
拉曼散射（raman scattering）：某一频率的单色光经介质散射后出现其他频率散射光，且散射光频率与入射光频率之差和散射介质的某两能级差相对应的现象。
拉曼散射（Raman scattering），光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年，印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两侧对称地伴有频率为v0±vi(i＝1，2，3，…）的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线；频率差vi 与入射光频率v0无关，由散射物质的性质决定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一致。拉曼散射的强度比瑞利散射（可见光的散射）要弱得多。
布里渊散射(Brillouin scattering）
定义：光通过介质时，因介质无规则热运动的弹性波引起的散射。
光现象
(Brillouin scattering)是一种光与物质作用后的一种光现象。很早人们就发现了光与物质相互作用的现象，如瑞利散射，它使大气显蓝色；如丁达尔散射在乳浊悬浮液中的表现为颗粒的米氏散射。我们称以上为弹性散射，其入射光频率与反射光频率一样。从弹性反射的名称中我们能够体会到为其取名的人是何等自信光就是粒子。既然有弹性反射，那就应该有非弹性反射，当然是有的：在物质的微结构中，光照射在分子、原子等微粒的转动、振动、晶格振动及各种微粒运动参与的作用下，光的散射频率不等同于入射频率的现象叫非弹性散射。最典型的当然要数拉曼、布里渊散射。布里渊散射的本质是入射光与声子相互作用。
声子：声子就是“晶格振动的简正模能量量子。”英文是phonon。
在简谐近似下，点阵振动可按其简正模分解──表达为3个相互独立的点阵波的叠加,整个系统相当于一组3个相互独立的谐振子，振子频率与能量是相应的点阵波频率和能量（见点阵动力学）。按量子力学，谐振子的能量是量子化的。点阵波的能量量子称为声子，点阵波量子态的变化对应于相应的声子的产生或消灭，能量的变化是相应的声子数目的变化。
In physics, a phonon is a quasiparticle characterized by the quantization of the modes of lattice vibrations of periodic, elastic crystal structures of solids.（The quantum of acoustic or vibrational energy (sound), considered a discrete particle rather than a wave
）
简正模：在n自由度微振动系统，往往可以选取恰当的n个广义坐标，从而使对应的拉格朗日方程组为n个谐振子方程，每一个方程对应一个简正频率和一个简正振动（或简正模式）。二氧化碳分子有四个简正模式。
简正频率是无阻尼系统（如弦、膜、板、棒、房间等）作简正振动的频率。简正频率只与系统本身的力学量有关，其数值是不连续的，也不是任意的，而且有无限多个。最低的一个称为基频，其余的（数值由小到大）依次称为第一泛频，第二泛频等等。
布里渊散射
布里渊散射是布里渊于1922年提出的，可以研究气体，液体和固体中的声学振动，但作为一种实用的研究手段，是在激光出现以后才发展起来的。布里渊散射也属于喇曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。与喇曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声学声子和磁振子等。
散射峰的频移
由布里渊散射实验可测出散射峰的频移，线宽及强度。由频移可直接算出声速，这是和用超声技术测量声速互补的方法，其特点是可测高频声学声子和高衰减的情况，试样比超声测量用的小得多。
声速
由声速可以算出弹性常数，由声速的变化可以得到关于声速的各向异性，弛豫过程和相变的信息。由线宽 （需用高分辨装置）可以研究声衰减过程，这与非简谐性和结构弛豫等有关。根据强度的测量可以研究声子和电子态的耦合等。
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