王 峥,徐 平,,王文文,J.Tuteu

(北京航空航天大学a.中法工程师学院;b.物理科学与核能工程学院,北京100191)

1 引 言

光的散射是一种重要的物理现象.在光学性质均匀的介质中或2种折射率不同的均匀介质的界面上,无论光的直射、反射或折射,都仅限于在给定的一些方向上,而在其余方向光强则等于零,因此沿光束的侧向进行观察就难以观察到光,但当光束通过光学性质不均匀的物质时,从侧向却可以看到光,这个现象就是光的散射[1].

光学性质的不均匀可能是由于均匀物质中散布着其他物质的大量微粒,也可能是由物质本身的组成部分(粒子)的不规则聚集所造成,例如尘埃、烟、雾、悬浮液、乳状液以及毛玻璃等.由于这些微粒的线度一般小于或近似等于入射光的波长,而它们相互之间的距离比波长大,且排列得毫无规则,因此,在光作用下的振动彼此间就没有固定的相位关系,在任何观察点所看到的总是它们所发出的次级辐射的不相干叠加,到处不会相消,从而形成了散射光.由微粒引起的散射,其特征与微粒的线度有关,其中,线度小于光波长的微粒对入射光的散射,称为瑞利散射;线度接近或大于光波长的微粒对入射光的散射,为米氏散射.近年来,一些学者对于光散射现象进行了各种实验研究[2-3].

本实验利用硫代硫酸钠和稀盐酸的化学反应,产生线度小于可见光波长硫分子;利用硫分子的凝聚,产生线度接近或大于与可见光波长相近的颗粒.在上述过程中通过白光照射反应液,可以直观地演示瑞利散射和米氏散射,并研究和分析瑞利散射时光的偏振特性;也可以通过该实验解释蓝天、白云以及日出日落与正午时天空呈现不同颜色等自然现象,具有实验装置简单,物理现象明显,操作方便等特点,非常适合作为物理课堂演示实验.

2 实验原理

2.1 瑞利散射和米氏散射

瑞利散射适用于孤立原子或分子的散射,也适用于纯净介质的密度起伏导致的散射.瑞利散射具有以下4个特征[4]:

1)波长不变,即散射光波长与入射光波长相同.

2)散射光强度与波长四次方成反比,即 I∝1/λ4.

3)散射光强依空间方位呈哑铃形角分布.设入射光是自然光,则在与入射光方向呈θ角(习惯上称为散射角)的方向上,散射光强为

其中 Iπ/2为垂直于入射光即θ=π/2方向的散射光强,散射光强分布如图1所示.

图1 自然光瑞利散射光强的角分布

4)当自然光入射时,各方向的散射光一般为部分偏振光,但在垂直入射光方向上的散射光是线偏振光,沿入射光方向或其逆方向的散射光仍是自然光.

米氏散射与瑞利散射的区别在于,米氏散射微粒较大,线度接近或大于光波长.当粒子线度a与光波长可以比拟(a/λ数量级为0.1～10)甚至更大时,随着粒子线度的增大,散射光强与波长的依赖关系逐渐减弱,而且散射光强随波长的变化出现起伏,这种起伏的幅度也随着比值 a/λ的增大而逐渐减少,如图2所示[5].

图2 瑞利散射与米氏散射

2.2 不同尺度颗粒的产生

硫代硫酸钠与稀盐酸反应,在溶液中缓慢产生不溶于水的固态硫分子:

由于溶液较稀,开始时只有少量硫分子,其颗粒线度小于光波长,满足瑞利散射条件;随着化学反应过程的持续,浓度不断增大,对光的散射也不断增强.接着多个硫分子聚结成不溶于水的硫颗粒,其线度接近和大于光波长,产生米氏散射.

3 实验装置及现象观察

3.1 实验装置

胶片投影仪1台、透明玻璃水槽1个、量程为50 m L和25 mL的量筒各1个、、50 mL的烧杯2个、玻璃棒1支、白屏1个;0.1 mol/L的硫代硫酸钠溶液、0.1 mol/L的稀盐酸适量,实验装置如图3所示.

图3 实验装置示意图

3.2 实验现象观察

打开胶片投影仪,将透明玻璃水槽置于胶片投影仪上.胶片投影仪发出的强光透过玻璃水槽投影在白色屏幕上.用烧杯将50 m L硫代硫酸钠溶液倒入玻璃水槽中.用玻璃棒引流,将10 m L稀盐酸缓缓倒入硫代硫酸钠溶液中,并轻轻搅拌.

1)随着反应的进行,玻璃水槽中的溶液由无色逐渐变成浅蓝色,这是由于化学反应生成了颗粒线度远小于可见光波长的硫分子,对胶片投影仪所发出的强光产生了瑞利散射,散射光的强度正比于1/λ4.显然短波长的蓝光更容易被散射,因而观察到溶液呈浅蓝色.从侧面透过偏振片观察溶液,转动偏振片,可以观察到溶液散射光强度的变化,这是因为垂直入射光方向上的散射光是线偏振光,而散射光总体特性是部分偏振光.

利用这一现象,可以向学生解释晴朗天空呈蓝色的原因,是大气散射阳光的结果.由于大气的散射,将阳光从各个方向射向观察者,我们才看到了光亮的天穹.如果没有大气层,即使在白天,人们仰望天空,将看到光耀眩目的太阳悬挂在漆黑的背景中,就像宇航员在太空见到的空中景象[4-6].而晴朗的天空之所以呈浅蓝色,是因为天气晴朗时,大气层中气体分子、尘埃和水分子的颗粒尺寸较小,对阳光产生瑞利散射.根据瑞利定律,浅蓝色和蓝色光比黄色和红色的光波长短,因此散射现象更加明显,故散射光中波长较短的蓝光占优势,天空呈蓝色.

2)随着反应继续进行,溶液越来越浑浊.这时观察白屏,可以看到从胶片投影仪发出的光,穿过溶液照射到白屏上呈暗红色.这是因为随着反应的进行,散射分子的浓度越来越大,波长较短的光大部分被散射,只有波长较长的红光穿过了溶液,到达了白屏上.

这就如同清晨日出或傍晚日落时,看到太阳呈红色.因为此时太阳光几乎平行于地平面,光线穿过的大气层最厚,如图4所示[1,6].所有波长较短的蓝光、黄光等几乎都朝侧向散射,接近地面的空气中有尘埃,更增强了散射作用,最终仅剩下波长较长的红光到达观察者.

图4 散射引起的天色和日色

3)反应结束时,溶液呈乳白色.硫粒子尺寸增大,已超过瑞利散射的范围,散射光的强度不再随波长变化,而产生固态硫的浓度也逐渐增大,使得所有波长的光均被散射,观察者就观察到了乳白色的溶液.

这时教师可以将此实验现象与以下的自然现象相比较:当空中有雾或薄云存在时,因为水滴的直径比可见光波长大得多,选择性散射的效应不再存在,不同波长的光都将被散射,所以天空呈现白茫茫的颜色[7].

4 结束语

本实验通过硫代硫酸钠溶液与稀盐酸溶液混合产生的化学反应,向学生直观地演示瑞利散射和米氏散射.实验过程简单、现象明显,便于帮助学生更好地理解和掌握光的散射性质及自然现象背后的物理规律.

[1] 郭永康.光学[M].北京:高等教育出版社,2005:369-375.

[2] 娄本浊.多模光纤式动态光散射实验研究[J].物理实验,2008,28(8):5-8.

[3] 何晓燕.血液的光散射特性[J].物理实验,2006,26(12):33-34.

[4] 崔宏滨,李永平,段开敏.光学[M].北京:科学出版社,2008:226-228.

[5] 赵建林.光学[M].北京:高等教育出版社,2006:327-331.

[6] 姚启钧.光学教程[M].北京:高等教育出版社,2008:275-280.

[7] 李维.一例新奇的综合科学探究实验设计[J].教学仪器与实验,2005,21(8):23-24.