三、光的散射

    物质中存在的不均匀团块使进入物质的光偏离入射方向而向四面八方散开,这种现象称为光的散射,向四面八方散开的光,就是散射光。与光的吸取一样,光的散射也会使通过物质的光的强度减弱。如果同时考虑吸取和散射,光通过厚度为x的物质后,光强I可以表示为

                         ,                  (14-109)

式中b 是物质的散射系数。可以把a +b 称为消光系数,用以表征由于吸取和散射的共同作用使光通过物质后光强减弱的程度。

    下面分别讨论瑞利散射和拉曼散射。

    1. 瑞利散射

    米和德拜对光散射的研究证明,引起光散射的不均匀团块的尺度不同,散射的规律也不一样。如果把引起光散射的不均匀团块看为半径为a的球形颗粒,入射光的波长为l,那么当2p a/l < 0.3时,散射过程遵从瑞利(J.W.S.Rayleigh, 1842-1919)散射定律,即散射光强与l4成反比。当2p a /l较大时,散射光强与波长的依赖关系不明显。下面大家讨论瑞利散射的情形。

    引起瑞利散射的不均匀团块可以分为两类,一类是乳浊液中的固体微粒、大气中的烟、雾或灰尘等,由这类不均匀团块引起的散射,称为悬浮质点散射。另一类则出现在纯净的液体或气体中,这是由于分子热运动造成的密度的局部涨落,由这种因素引起的散射,称为分子散射。§9-5中所说的临界乳光,就是分子散射的结果。

    大气对阳光的散射中,既有悬浮质点散射,也有分子散射。根据瑞利散射定律,太阳光中的短波成分比长波成分更多地被大气散射,所以当大家仰望晴空时,看到的是散射光,故呈蔚蓝色。清晨和黄昏射向大家的阳光所穿越大气层的厚度比中午时大得多,更多的短波成分被散射掉了,所以大家看到的旭日和夕阳是红色的。

    白云对阳光的散射则属于颗粒尺度较大的不均匀团块的散射,不满足瑞利散射的条件。按照米-德拜散射理论,这类颗粒的散射光强与波长的依赖关系不明显,各波长的光都大致均等地散射。所以晴空的云是白色的。

    实验发现,在自然光被散射的情况下,在垂直于入射方向上,散射光是线偏振光,在原入射方向及其逆方向上,散射光仍是自然光,而在其他方向上,散射光是部分偏振光。同时,在垂直于入射方向上散射光的强度,等于原入射方向及其逆方向上散射光强度的一半。这些结果都可以用光的电磁理论加以说明。

    可以利用光的散射来研究胶体溶液、浑浊介质和高分子物质的物理化学性质,测定散射微粒的大小和运动速度;可以通过激光的散射来测量大气中悬浮微粒密度和特性,以确定大气的污染状况。

    2. 拉曼散射

    在散射光中出现与入射光频率不同的散射光,这种现象称为拉曼散射,是拉曼(C.V.Raman,1888-1970)和曼杰利什塔姆(Л.И.Мандельштам,   1 8 7 9 -1 9 4 4 )于1928年在研究液体和晶体内的散射时分别发现的。拉曼散射光谱具有以下特征:

    (1) 在与入射光角频率w 0 相同的散射谱线 (瑞利散射线) 两侧,对称地分布着角频率为w 0 ±w 1 w 0 ±w 2 、… 的散射谱线,长波一侧 (角频率为w 0 -w 1 w 0 -w 2 、… ) 的谱线称为红伴线或斯托克斯线,在短波一侧 (角频率为w 0 +w1 w 0 +w 2 、… ) 的谱线称为紫伴线或反斯托克斯线;

    (2) 角频率差w 1 w 2 、…与散射物质的红外吸取角频率相对应,表征散射物质的分子振动角频率,而与入射光的角频率w 0无关。

    拉曼散射中各伴线的频率可以用经典理论得出,但是对拉曼散射的全面说明需根据量子力学作出。

    根据拉曼散射光谱中各伴线的位置,可以很容易地得出分子振动频率,而分子振动频率是与分子内部的状况和结构密切相关的,所以拉曼散射为研究分子结构、分子的对称性和分子内部的作用力等提供了重要的分析手段。它已成为分子光谱学中红外吸取方法的重要补充。

       
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