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山西朔州市第二中学的周林同学问:“为什么月亮有时看起来洁白无瑕,有时又发红?”要回答这个问题,我们必须对光的散射现象有所了解。
一束光线通过均匀的透明介质(如玻璃、清水)时,从侧面是很难看到光线的,但如果介质不均匀,我们便可从侧面清晰地看到光束的径迹,例如,一束阳光从窗外射入室内,由于室内有悬浮于空气中的尘埃,这些尘埃使光线朝各个方向散射,于是我们很容易看到这束光内的尘埃而辨认出这束光的径迹,总之,光的散射现象是由于介质的不均匀性造成的。
光的散射情况与介质不均匀的尺度有很大的关系,获1904年诺贝尔物理学奖的英国物理学家瑞利专门研究了细微散射体(它的尺度比可见光波长小)的光散射问题,于1871年得出了以他名字命名的瑞利散射定律,这个定律指出,散射光强度与光波长A的四次方成反比,即I∝1/λ4,说明光波长A越小,散射光强度I越大,我们用瑞利散射定律,就可解释天空为什么是蓝色的。
太阳光射至地球表面附近时,需要穿过大气层,大气层内含有各种气体分子,这些气体分子都做着无规则的热运动,这种无规则热运动会造成空气密度的涨落,致使大气层介质不均匀,又由于气体分子的尺度比光波长要小很多,所以光透过大气层引起的光散射主要是瑞利散射,根据瑞利散射定律,太阳光中的短波成分(蓝、紫色)的散射比长波成分(黄、红色)强烈得多,于是散射光中因为短波光的富集而使天空呈蓝色,如果没有大气层,即使在白天,人们仰望天空,也只是看到光辉夺目的太阳悬在漆黑的背景中,太空中的宇航员看到的太阳就是这样的情景,我们还可以举一个瑞利散射的例子,一根点燃的香烟冒出的烟颗粒尺度比光的波长小,所以,在室内外阳光照射下呈现出蓝色来。
写到这儿,也许有同学会问,阳光中的紫色光波长比蓝色光波长更短,那么,根据瑞利散射定律,紫光比蓝光有更强的散射强度,为什么天空不呈现紫色呢?这主要是人眼对紫光的灵敏度很低造成的。
有了以上的知识,周林同学的问题就不难回答了,我们有时候看到月亮洁白无瑕,那天的天气一定很晴朗,少云雾,月亮反射的光透过大气层发生较少的散射:如果某天天气多云雾的话,月光发生较多的散射,使更多的短波光被散射至四面八方,而射入我们眼中的光含有更多的红光成分,此时的月亮看起来就发红。
若介质尺度大于光的波长,就不能应用瑞利散射定律了,例如,白云是由大气中的水滴组成的,这些水滴的尺度(直径)比光的波长大,这样大小的物体产生的散射与光波长的关系不大,即各种波长的色光产生同样强度的散射,所以云呈白色,上面曾提及点燃的香烟冒出的烟呈蓝色,但是,吸一口烟,然后再从口中吐出的烟却呈白色,这是由于吐出的细小烟颗粒已被水汽包住,它的尺度已大于可见光的波长。
责任编辑 程 哲
一束光线通过均匀的透明介质(如玻璃、清水)时,从侧面是很难看到光线的,但如果介质不均匀,我们便可从侧面清晰地看到光束的径迹,例如,一束阳光从窗外射入室内,由于室内有悬浮于空气中的尘埃,这些尘埃使光线朝各个方向散射,于是我们很容易看到这束光内的尘埃而辨认出这束光的径迹,总之,光的散射现象是由于介质的不均匀性造成的。
光的散射情况与介质不均匀的尺度有很大的关系,获1904年诺贝尔物理学奖的英国物理学家瑞利专门研究了细微散射体(它的尺度比可见光波长小)的光散射问题,于1871年得出了以他名字命名的瑞利散射定律,这个定律指出,散射光强度与光波长A的四次方成反比,即I∝1/λ4,说明光波长A越小,散射光强度I越大,我们用瑞利散射定律,就可解释天空为什么是蓝色的。
太阳光射至地球表面附近时,需要穿过大气层,大气层内含有各种气体分子,这些气体分子都做着无规则的热运动,这种无规则热运动会造成空气密度的涨落,致使大气层介质不均匀,又由于气体分子的尺度比光波长要小很多,所以光透过大气层引起的光散射主要是瑞利散射,根据瑞利散射定律,太阳光中的短波成分(蓝、紫色)的散射比长波成分(黄、红色)强烈得多,于是散射光中因为短波光的富集而使天空呈蓝色,如果没有大气层,即使在白天,人们仰望天空,也只是看到光辉夺目的太阳悬在漆黑的背景中,太空中的宇航员看到的太阳就是这样的情景,我们还可以举一个瑞利散射的例子,一根点燃的香烟冒出的烟颗粒尺度比光的波长小,所以,在室内外阳光照射下呈现出蓝色来。
写到这儿,也许有同学会问,阳光中的紫色光波长比蓝色光波长更短,那么,根据瑞利散射定律,紫光比蓝光有更强的散射强度,为什么天空不呈现紫色呢?这主要是人眼对紫光的灵敏度很低造成的。
有了以上的知识,周林同学的问题就不难回答了,我们有时候看到月亮洁白无瑕,那天的天气一定很晴朗,少云雾,月亮反射的光透过大气层发生较少的散射:如果某天天气多云雾的话,月光发生较多的散射,使更多的短波光被散射至四面八方,而射入我们眼中的光含有更多的红光成分,此时的月亮看起来就发红。
若介质尺度大于光的波长,就不能应用瑞利散射定律了,例如,白云是由大气中的水滴组成的,这些水滴的尺度(直径)比光的波长大,这样大小的物体产生的散射与光波长的关系不大,即各种波长的色光产生同样强度的散射,所以云呈白色,上面曾提及点燃的香烟冒出的烟呈蓝色,但是,吸一口烟,然后再从口中吐出的烟却呈白色,这是由于吐出的细小烟颗粒已被水汽包住,它的尺度已大于可见光的波长。
责任编辑 程 哲