散射 - 光與物質的交互作用 | Coursera

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散射

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基礎光學一 (Introduction to Optics (1))

国立台湾大学

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以深入淺出的概念說明日常生活與科學應用中常見的光學現象，特色在於大量的範例以及實驗展示。

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光與物質的交互作用

反射、折射、散射、吸收、放光

為什麼要念大學？8:40

反射與折射 11:13

教學方

朱士維
教授 (Professor)

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腳本

讨论完了反射、折射以及全反射的现象之后呢，我们接下来进入下一个光和物质的交互作用。在开始前呢想要邀请各位先看一下这张图，请问一下这张星际大战的图片有什么不合理的地方吗？如果要知道刚刚这张图有什么奇怪的地方，我们用一支绿色的雷射光笔让各位看一下，当我把雷射光笔打开的时候呢，各位可以在纸上看到一个非常清楚的绿色光点。但是仔细看看，你能够从侧面看到在空气中传播的光束吗？如果我把这个雷射光笔放在水箱的旁边打开它一样你可以在穿过水箱的纸上看到绿色光点。但是你能够从侧面看到在水箱中传播的雷射光束吗？这里反映出来的就是当空气或水中没有足够多的散射源的时候，从侧面是看不到雷射光束的。我们现在水中呢加入一点点奶精，提供一点散射的来源。奶精的量不要很多只要一小滴就够了。加一小滴奶精之后呢我们把它拌匀，拌匀之后呢你可以看到水的颜色基本上没有什么太大的改变，在这个时候呢，当我把雷射光从侧面打进去，你就会非常清楚的看到雷射的光束从侧面可以观察得到，这就是有散射源的时候你才能从侧面观察到雷射光束。而在太空中基本上是没有散射光源的，从刚刚这个示范实验中可以看出呢在空气中或是干净的水中传播的光束，基本上不太容易从侧面看到。更别说是在太空中了。这个原因呢就是因为在干净的水中或是太空中基本上没有太多散射源。但若是在水中加上一点点牛奶，增加它的散射则可以非常容易看到光束。所以接下来呢我们就来讨论一下到底什么是散射？我们来看何为散射可以从两个角度切进去，第一个由光是电磁波的角度来看呢，散射这件事情就像是入射光被原子分子中的电子吸收之后呢再重新放出来。重新放出这个过程里面呢，光的方向可以改变，但是基本上呢频率维持不变。第二个角度呢是由光是光子的角度来看，那么你可以把散射想成，就像是光子和原子或分子的弹性碰撞，造成光的方向改变，但是一样因为没有交换能量呢，所以频率不会改变。我们在这边谈的散射呢主要针对所谓的Rayleigh scattering 瑞利散射。瑞利散射的条件是当造成散射的粒子尺度远小于波长的时候呢，称之为瑞利散射。瑞利散射有一个很重要的特性是它的散射强度和波长的四次方成反比。这一点要邀请各位在这次的作业中试着证明它。例如空气散射阳光因为散射强度和波长四次方成反比，所以波长最短的蓝光散射最强，因此天空才会是蓝色的，而夕阳则偏黄红色。我们接下来用另外一个示范实验让各位看看这个现象。接下来我们要来看看白光经过散射之后会发生什么事情。目前我们先用白光手电筒穿过一个清澈的开水，所以你可以再次看得到在这中间我们基本上完全看不到光传播过去的路径。跟刚刚一样我们先加入一点奶精。你会看得到奶精在刚滴进去的时候，在还没搅开之前呢这一滴是白色的，这个就跟云是白色的道理非常像，因为这个时候奶精的大分子都还没散开。而对大分子团的散射呢各个波长是相当的所以看起来是白色的。那我们先来把它搅散开来，在搅散的过程中呢你就可以看得到从侧面看到的这个散射的光似乎是偏蓝色的，把它搅拌均匀之后呢，可以更明显的感觉到这件事情。散射出来的光束呢非常明显的是偏蓝色的色调。这个就是天空为什么是蓝色的原因。事实上呢由于从旁边散射出来的光是蓝色穿过去的光的颜色呢也会因此有所改变只是目前在摄影机上看起来并不明显。我们再稍微增加一点奶精的量，所以我们在看到也是白云在水中形成的过程，然后呢我们把它搅散。在搅散的过程里面呢你可以看得到从侧面散射出来的光的强度逐渐的增加。仍然持续偏一个蓝色。目前我的肉眼看起来呢这个颜色事实上已经非常明显的改变了偏黄色的部分。但是在摄影机上面还相对的不明显。所以呢我们再把多一点奶精加进去再把它拌匀之后呢，你可以开始看得到在屏幕上的颜色呢开始变成偏黄色，你把周围的灯关掉呢可以更清楚。当我们把环境的灯关掉了之后呢可以非常清楚的看到屏幕上看到的是一个黄色的光斑。这就是因为短波长的光优先被散射出来，所以穿透的部分呢就留下比较长波长的光也就是桔黄色的部分，这就是为什么夕阳看起来是桔黄色甚至于到红色的。从刚刚这个实验呢我们可以知道天空的颜色和阳光在大气层中被散射有很大的关系。从这张图呢我们可以看到地球跟太阳相对的关系。在中午的时候呢，太阳通过的大气层的厚度呢是相对的比较短的。而在傍晚的时候呢太阳通过了大气层厚度是相对来说比较长的。所以呢在中午的时候往太阳的方向看，太阳的可见光呢基本上还是会直接穿过大气层到达我的眼睛，因此中午时候呢太阳看起来是白色的，而周围的天空呢则是因为阳光经过散射，才会由旁边的角度到达我的眼睛里面。而散射最强的呢则是蓝光，因此我们看到旁边的天空呢主要会是蓝色。在傍晚的时候呢因为穿过大气层的长度变得很长，因此短波长的光会直接被散射掉而没有办法到达我们的眼睛，所以这时候呢直接看太阳的- 颜色呢，它会变成是黄色偏红色因为蓝色跟绿色的短波长光已经被散射掉了。但是仔细看看在这个时候呢，太阳周围的天空呢，事实上仍然会是蓝色的，因为旁边的颜色仍然是由散射光所造成的。所以有了刚刚这些解释之后呢你现在应该要可以回答我们在第一讲中提出来的问题，为什么天空是蓝色的呢？还有为什么夕阳是红色的呢？但是那这个问题又是为什么呢？云为什么看起来是白色的呢？造成云是白色的原因呢是另外一种散射的来源叫做米氏散射（Mie scattering）。它的起源是当造成散射的粒子尺度大于波长的时候呢，会造成米氏散射。而米氏散射的特色是呢各个波长的散射强度大致相等。所以像云中的水滴呢基本上比可见光的波长来得大所以呢对可见光各个波段散射强度基本上是相当的。因此我们看到云的时候呢是红橙黄绿蓝靛紫各个波长呢都会到我们的眼睛里面，所以云看起来- 是白色的。这里有一些其它散射的粒子，事实上呢自然界中的蓝色多半和散射有关。例如鸟的羽毛、无尾熊眼睛的颜色石龙子尾巴的颜色，还有狒狒屁股的蓝色。这些蓝色呢都是因为对非常小的分子造成的散射而产生的蓝色，除了在生活中产生的颜色之外呢，甚至是有一个非常根本的重要性就是，事实上如果我们把每个原子都想成是一个小小的散射光源的话，那我们可以由原子的散射来解释反射跟折射的现象。例如下面这个示意图中就在表示由每一个小小小小的点的原子所产生的散射经过建设性干涉的过程呢就会形成反射跟折射的波形。我们用一组示意图的动画呢，让各位感觉一下每一个单一原子散射就像点光源一样，如何造成反射光？所以我们在这个图中呢可以看到有一道入射光呢从左上往右下打入一个材料中，我们把材料中的原子呢用黑点表示。当这道入射光呢打到材料的时候呢每一个原子都会散射出一个点光源。那当这个入射光一直向前推进的时候呢，各个原子散射出来的点光源呢也随之不断出现。所以呢在时间不断进展的过程里面呢，每一个原子轮流被打到而轮流放出更多的点播源。而这些分子或原子放出的点播源呢它们彼此互相建设性干涉的结果呢就是会形成一个反射方向的波形。最后呢附带一提我们刚刚说过从光子的角度来想呢，散射就像是光子和原子或分子的碰撞。而这个碰撞可能是弹性碰撞，意思就是它只有改变方向而没有交换能量。例如我们刚刚提到的瑞利散射或米氏散射。但是呢它也有可能是非弹性碰撞，这个时候呢光就不只是改变方向还有能量交换，而能量交换的意思呢就是光的频率可能会改变。这里面的例子呢是例如像所谓的拉曼散射或是布里渊散射。那因为篇幅的关系呢我们可能不会在这边讲这种非线性散射的现象。如果有兴趣的读者或听众呢，欢迎去参考所谓的非线性光学的书，都会提到这类型的非线- 性散射。最后呢是一个随堂测验，请问为什么天空是蓝色的呢？它的来源是因为反射、折射、散射、吸收、还是放光呢？

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