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。
散射
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來自 National Taiwan University 的課程
基礎光學一 (Introduction to Optics (1))
65 個評分
與講師見面
朱士維教授 (Professor)
物理學系 (Department of Physics)
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討論完了反射折射以及全反射的現象之後呢我們接下來要進入下一個
光和物質的交互作用，在開始前呢想要邀請各位先看一下這張圖。
請問一下這張星際大戰的圖片有什麼不合理的地方嗎？
如果要知道剛剛這張圖有什麼奇怪的地方， 我們用一隻綠色的鐳射光筆讓各位看一下
當我把鐳射光筆打開的時候呢各位可以在紙上看到一個非常清楚的綠色光點。
但是仔細看看你能夠從側面看到在空氣中傳播的光束嗎？
如果我把這個鐳射光筆放在水箱的旁邊打開它， 一樣你可以在穿過水箱的紙上看到綠色光點。
但是你能夠從側面看到在水箱中傳播的鐳射光束嗎？ 這裡反映出來的就是當空氣或水中沒有
足夠多的散射源的時候從側面是看不到鐳射光束的， 我們先在水中呢加入一點點奶精，
提供一點散射的來源，奶精的量不要很多，只要一小滴就夠了， 加一小滴奶精之後呢我們把它拌勻，
拌勻之後你可以看到，水的顏色基本上沒有什麼太大的改變，
可是這個時候呢 當我把鐳射光從側面打進去，
你就會非常清楚地看到鐳射的光束從側面可以觀察得到。
這就是有散射源的時候你才能從側面觀察到鐳射光束。
而在太空中基本上是沒有散射光源的，從剛剛這個 示範試驗中可以看出呢在空氣中或是乾淨的水中傳播的光束
基本上不太容易從側面看到更別說是在太空中了，
這個原因呢就是因為在乾淨的水中或是在太空中，基本上沒有太多散射源，
但若是在水中加上一點點牛奶增加它的散射則可以非常容易看到光束。
所以接下來呢我們就來探討一下到底什麼是散射？ 我們來看何謂散射可以從兩個角度切進去，
第一個由光是電磁波的角度來看呢，散射這件事情就像是入射光
被原子分子中的電子吸收之後呢再重新放出來， 重新放出這個過程裡面呢光的方向可以改變
但是基本上呢頻率維持不變， 第二個角度呢是由光是光子的角度來看，
那麼你可以把散射想成就像是光子和原子或分子的彈性碰撞，
造成光的方向改變，但是一樣因為沒有交換能量呢所以頻率不會改變。
我們在這邊談的散射呢主要針對所謂的 Rayleigh scattering，瑞利散射。
瑞利散射的條件是當造成散射的粒子尺度遠小於波長的時候呢稱之為瑞利散射。
瑞利散射有一個很重要的特性是它的散射強度，
和波長的四次方成反比，這一點要邀請各位在這次的作業中試著證明它。
例如空氣散射陽光，因為散射強度和波長四次方成反比，
所以波長最短的藍光散射最強，因此天空才會是藍色的，
而夕陽則偏黃紅色。我們接下來用另外一個示範實驗讓各位看一看這個現象。
接下來我們要來看一看白光經過散射之後后會發生什麼事情，目前我們先用白光手電筒穿過一個
清澈的開水，所以你可以再次看得到在這中間我們基本上完全看不到光傳播過去的路徑。
跟剛剛一樣，我們先加入一點奶精，
你會看得到奶精在剛滴進去的時候，在還沒攪開之前呢，這一滴是白色的，
這個就跟云是白色的道理非常像， 因為這個時候奶精的大分子都還沒散開，而對
大分子團的散射呢各個波長是相當的，所以看起來會是白色的， 那我們現在來把它攪散開來，
在攪散的過程中呢你就可以看得到從側面 看到這個散射的光似乎是偏藍色的，
在我們把它攪拌均勻之後呢可以更明顯的感覺到這件事情， 散射出來的光束呢非常明顯的
是偏藍色的色調，這個就是天空為什麼是藍色的
原因，而事實上呢由於從旁邊散射出來的光是藍色，
穿過去的光的顏色不會因此有所改變， 只是目前在攝影機上看起來並不明顯。
我們再稍微增加一點奶精的量，所以我們再看到一次白雲
在水中形成的過程，然後呢我就把它攪散， 在攪散的過程裡面呢你可以看的到，
從側面散射出來的光的強度逐漸的增加，
仍然持續偏一個藍色， 目前我的肉眼看起來呢這個顏色事實上已經，
非常明顯的改變呈偏黃色的部分，
但是在攝影機上呢還相對的不明顯，所以呢我們再把 多一點奶精加進去再把它拌勻之後呢
你可以開始看得到 在屏幕上的顏色呢
開始變成偏黃色，我們把周圍的燈關掉呢可以更清楚。
[聲音] 當我們把環境的燈關掉之後呢你可以非常清楚地看到
屏幕上看到的是一個黃色的光斑。
這就是因為短波長的光優先被散射出來。
所以穿透的部分呢就留下比較長波長的光，也就是橘黃色的部分。
這也就是為什麼夕陽看起來是橘黃色甚至於到紅色。
從剛剛那個實驗呢我們可以知道天空的顏色
和陽光在大氣層中被散射有很大的關係， 從這張圖呢我們可以看到地球跟太陽相對的關係，
在中午的時候呢，太陽通過的大氣層的厚度呢是相對的比較短，
而在傍晚的時候呢，太陽通過的大氣層厚度是相對來說比較長的，
所以呢在中午的時候往太陽的方向看，
太陽的可見光呢基本上還是會直接穿過大氣層到達我們的眼睛。
因此中午的時候呢太陽看起來是白色的，而周圍的天空呢
則是因為陽光經過散射才會從旁邊的角度到達我們的眼睛裡面，
而散射最強的呢則是藍光，因此我們看到旁邊的天空呢主要會是藍色，
在傍晚的時候呢，因為穿過大氣層的長度變得很長，
因此短波長的光會直接被散射掉而沒有辦法到達我們的眼睛，所以這時候呢直接看太陽的顏色呢
它會變成是黃色偏紅色，因為藍色跟綠色的短波長光已經被散射掉了。
但是仔細看看在這個時候呢太陽周圍的天空呢事實上仍然會是藍色的， 因為旁邊的顏色仍然是由散射光所造成，
所以有了剛剛這些解釋之後呢，你現在應該要可以回答， 我們在第一講中提出來的問題，為什麼天空是藍色的呢？
還有為什麼夕陽是紅色的呢？ 但是那這個問題又是為什麼呢？
云為什麼看起來是白色的呢？造成雲是白色 的原因呢是另外一種散射的來源叫做米氏散射，Mie scattering，
它的起源是當造成散射的粒子尺度大於波長的時候呢會造成米氏散射。
而米氏散射的特色是呢各個波長的散射強度大致相等。
所以像雲中的水滴呢基本上比可見光的波長來得大。
所以呢對可見光各個波段散射強度基本上是相當的。
因此我們看到云的時候呢是紅橙黃綠藍靛紫各個波長呢都會到我們的眼睛裡面，所以雲看起來- 是白色的。
這裡有一些其他散射的例子，事實上呢自然界中的藍色多半和散射有關。
例如鳥的羽毛，無尾熊眼睛的顏色， 石龍子尾巴的顏色，還有狒狒屁股的藍色。
這些藍色呢都是因為被非常小的分子，
造成的散射而產生的藍色，除了在生活中產生顏色之外呢，
散射有一個非常根本的重要性就是事實上 如果我們把每一個原子都想成是一個小小的散射光源的話，
那我們可以由原子的散射來解釋反射跟折射的現象，
例如上面這個示意圖中就在表示 由每一個小小小小的點的原子所產生的散射，
經過建設性干涉的過程呢就會形成反射跟折射的波前 我們用一組示意圖的動畫呢讓各位感覺一下，
每一個單一原子散射就像點光源一樣，如何造成反射光。
最後我們在這個圖中呢可以看到有一道入射光呢從左上往右下打入
一個材料中，我們把材料中的原子呢用黑點表示， 當這道入射光呢打到材料的時候呢，每一個原子
都會散射出一個點光源來，那當這個入射光因此向前推進的時候呢
各個原子散射出來的點光源呢也隨之不斷出現， 所以呢在時間不斷進展的過程裡面呢，
每一個原子輪流被打到而輪流放出更多的點波源， 而這些分子或原子放出的點波源呢，它們
彼此互相建設性干涉的結果呢就是會形成一個反射方向的波前，
最後呢附帶一提，我們剛剛說過從光 子的角度來想呢，散射就像是光子和原子或分子的碰撞。
而這個碰撞呢可能是彈性碰撞，意思就是它只有改變方向，
而沒有交換能量，例如我們剛剛提到的瑞利散射或米氏散射。
但是呢它也有可能是非彈性碰撞， 這個時候呢光就不只是改變方向還有能量交換，
而能量交換的意思呢就是光的頻率可能會改變， 這裡面的例子呢是例如像所謂的拉曼散射或是布里淵散射，
那因為篇幅的關係呢我們可能不會在這邊講這種非線性散射的現象。
如果有興趣的讀者或聽眾呢歡迎去參考所謂的非線性光學的書，都會提到這類型的非線性散射。
最後呢是一個隨堂測驗，請問為什麼天空是藍色的呢？
它的來源是因為反射，折射，散射，吸收還是放光呢？
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