Scattering of Light

散射与介质不均匀尺度之间的关系

光线在通过均匀的透明介质时, 从侧面是难以看到光线的. 如果介质不均匀, 如有悬浮微粒的浑浊液体, 我们可以从侧面清晰地看到光线的轨迹. 这是介质中的不均匀性使得光线朝四面八方散射的结果

Rayleigh散射

Rayleigh认为散射光强和波长的四次方成反比, 即

$$I\propto \frac{1}{{\lambda }^4}$$

这个理论可以解释很多的自然现象

如白昼天空之所以是亮的, 完全是大气散射阳光的结果. 如果没有大气, 即使在白昼, 天空除了太阳本身也将是漆黑的. 按照Rayleigh定律, 白光中的短波成分（蓝紫色）遭到的散射比长波成分（红黄色）强烈得多, 散射光因短波的富集而显蔚蓝色. 而在大雨初霁时, 大气的密度涨落程度更高, 散射作用更强, 所以天空将更蓝

旭日和夕阳成红色, 是因为白光中的短波成分更多的被散射掉了, 在直射的日光红较多的自然是长波成分. 而早晚阳光以很大的倾角穿过大气层, 经历的大气厚度要比中午时大很多, 从而大气的散射效应也要强得多, 所以这时候太阳呈现红色

散射的角度分布和偏振

如果入射光是线偏振的, 那么散射光也是线偏振的 如果入射光是自然光, 那么在垂直于入射光的方向上, 散射光是线偏振的；在原入射方向或者其逆方向上, 散射光是自然光, 且前者的强度正好是后者的一半；在其他方向上, 散射光是部分偏振的, 强度介于前两个极端之间

Raman散射

Rayleigh散射不改变原入射光的频率, 而Raman发现了在散射光中除了与入射光的原有频率${\omega }_0$相同的Rayleigh散射线外, 谱线两侧还有频率为${\omega }_0\pm {\omega }_1,{\omega }_0\pm {\omega }_2,\dots$等散射线存在, 这种现象被称为Raman散射

我们称长波一侧的散射线（${\omega }_0-{\omega }_j$）为红伴线或者Stokes线, 在长波一侧（${\omega }_0+{\omega }_j$）的为紫伴线或者反Stokes线. 其中频率差${\omega }_j$和入射光的频率${\omega }_0$无关, 而与散射物质的红外吸收频率相对应, 表征了散射物质的分子振动频率