您当前位置:首页-科学休息室-详情

为什么蓝光更容易散射?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2021-04-11 09:22:04

我明白你的意思是为什么蓝光在空气中散射更大,但事实上空气实际上扮演了一个巨大的角色为什么蓝光比红光散射更大。

这是因为光的散射强度取决于光波的频率(或波长)以及散射粒子的性质。

在空气中,散射粒子主要是氮和氧分子。首先,我要概述一下这些分子是如何散射光线的。

你必须记住的第一件事是,光的散射是一个诱导向不同方向重新辐射的过程,它实际上并不是使波弯曲。入射的波被散射粒子吸收,粒子被激发并向不同方向反射波,因此光被“散射”。

在空气中,主要的散射体是氮分子和氧分子,它们都是电中性的,但它们含有带负电荷的电子。当带电粒子受到外部电磁场的作用时,它们的反应是移动。

我们都知道,光本质上是传播电磁波的。这基本上意味着光是由振荡的电场和磁场(相互成直角)组成的,它们将能量传递给路径上的物体。所以,当光照射到空气分子时,其中的电子会感受到电场并对其做出反应。在像光这样的振荡场的情况下,电子也会以振荡的方式响应,以与振荡的外场相同的频率来回运动(在技术术语中,我们称之为诱导振荡偶极子)。

正如电磁理论所述,加速的电荷会在电磁波中辐射出来。因此,振荡的偶极子,其电子来回运动(即加速),会辐射出电磁波。因为辐射波的频率和电子振荡的频率是一样的,而电子振荡的频率和入射波的频率是一样的,所以再辐射波和入射波的频率是一样的。

那么,为什么蓝光散射更大呢?通过“散射更多”,它本质上的意思是粒子重新辐射的波的振幅更大。记住,再辐射的波是由分子内的电子加速产生的,更大的加速度会产生更大振幅的波。

现在想象一下,如果你想让一个电子加速(和减速)更多,你真正要求的是在给定时间内速度的更多变化。所以在振荡系统中最简单的方法就是让来回运动更快,也就是增加振荡的频率。

让我们遵循这个逻辑,振荡频率越高,加速度越大,再辐射就越强。因此,由于入射波的频率与振荡相同,入射波的频率越高,再辐射就越强。这就解释了为什么蓝光比红光更容易散射!

但不要这么快。我已经在第二段提到了粒子的性质也起了作用。到目前为止,我们似乎还没有深入研究任何具体的问题。现在让我们开始吧。

到目前为止,我们一直下意识地假设电子对外场的反应是即时的,没有阻力,也就是说,电子没有惯性,也没有“恢复力”。但事实并非如此。(请原谅我在下面的部分使用了经典图片,这只是为了更容易概念化)

我们先来讨论一下恢复力。电子是带负电荷的,它们自然会相互排斥,不喜欢靠近对方。正常情况下,在一个未受干扰的分子(以及原子)中,电子占据分子(或原子,原子)轨道,为了简单起见,可以将其想象为围绕原子核(或原子的原子核)中心的壳层。当不受干扰时,电子会自行组织,使它们在空间中或多或少地均匀分布,以使斥力最小化。当施加一个电场时,电子将被迫移动到一边(分子变得极化),然后它们之间的斥力将成为恢复力,试图使电子分布回到首选状态(均匀分布的壳层)。由于每个分子都有不同的电子分布,这种恢复力的行为是分子特有的。所以不同的分子对相同频率的光的反应方式略有不同。

那么,恢复力是如何影响散射强度的呢?如果你想让电子来回运动,你能让它们运动多远,取决于恢复力和电子运动速度之间的平衡。让我解释一下。

这样想象,如果一个电子移动太慢,恢复力将试图把它回来,电子之前没有足够的动力去更远的磁场方向翻转过去,把它在(因为这是一个振荡场我们讨论)。相反地,如果电子移动得更快,它就会有更多的动量,尽管感觉到了同样的恢复力,它也会有更多的“射出”,也就是说你会得到更多的左右移动。电子的速度取决于振荡的频率——频率越高,电子移动的速度越快。

所以,频率越高,电子就能飞得越远,振动就越强,振幅也越大。更强的振荡意味着更多的再辐射,因此,更强的散射发生。

于是,人们很容易认为,可以通过增加入射波的频率来不断增加散射强度。但物理观察告诉我们,事实并非如此。如果你一直试图增加频率,把电子来回拉得越来越快,电子的惯性最终会对你起作用,因为电子有质量,不会对场的变化立即做出反应。如果电场振荡得如此之快,以至于在电子开始运动之前,你已经把它拉回来了,最终你可以想象,在一个频率太高的情况下,电子几乎无法运动。因此,增加频率只能增加再辐射,直到达到一个“甜点”,超过这个“甜点”,振荡振幅将下降,再辐射(散射)强度也将下降。(它实际上是下降,然后再次上升,然后下降,上升,重复频率增加。因为某些频率对应于分子的共振模式,可以引起比其他更大的振荡。但在到达第一共振频率之前,振荡幅值随频率增加而增大。

下面的图表可以很好地说明这意味着什么。y轴上的RCS是辐射散射回源的强度的度量,所以本质上它是再辐射强度的度量。这个实验使用的是无线电波和导电金属球,而不是光波和分子,但原理是一样的。在整个实验过程中,目标球的周长没有改变,所以x轴只是与频率有关。左边的直线区域对应的是尚未达到“甜点”的情况,散射强度随频率增加而增加。中间的波状区域是电子惯性开始成为问题的地方。正如你所看到的,重复“山峰”反映了谐振模式,但高于甜点(在“相对频率”= 1)。右边的扁嘴是光学区域,当粒子基本上大于波长海浪只是反映相同的频率强度无关。

为什么蓝光更容易散射?

众所周知,蓝光的频率比红光高。氮和氧分子也是如此,“恢复力”的大小使振荡的“平衡点”对应的频率高于蓝光的频率。因此,空气对蓝光的散射比红光更强,并且散射强度随频率增加而在可见光范围内(红<橙<黄<绿<蓝<紫)。人们通常不会谈论散射的紫光,因为人眼的视锥细胞对紫光不是很敏感,所以我们也看不见它。此外,我们通常谈论阳光的散射和太阳的光谱下降在紫色的一端与温暖的色调)。

实际的数学关系表明散射光的强度与频率的四次方成正比,或者更常见的是,它与波长的四次方成反比(因为频率和波长是成反比的)。

即I∝λ^-4

这种关系被建模为瑞利散射,这是一种光在大气中的分子散射。瑞利理论适用的准则是散射粒子必须远小于入射波波长的十分之一(这是因为瑞利散射的一个关键假设是散射粒子是无量纲的点,所以在任何给定时刻,粒子的外场都是均匀的。这确保了粒子的所有部分以相同的相位重新辐射波,消除了考虑干扰效应的需要。否则,这种干扰会减弱或增强粒子的散射强度,导致更为复杂的情形,称为米氏散射。在空气中,N2和O2的分子大小都在150微米左右,而可见光的分子大小在400到700纳米之间。尺寸要求完全满足。
D相关下载
Z最新攻略更多+
热门文章更多+
近期大作更多+