瑞利散射和米氏散射现象的实验演示

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1、第30卷第7期物理实验Vol.30No.72010年7月PHYSICSEXPERIMENTATIONJul.,2010瑞利散射和米氏散射现象的实验演示aa,bba王峥,徐平,王文文,J.Tabuteau(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)摘要:硫代硫酸钠与稀盐酸反应时,会在溶液中缓慢产生不溶于水的固态硫分子,其直径小于可见光的波长;随着反应的进行,多个硫分子聚结形成较大颗粒,其直径接近并逐渐大于可见光波长.在上述反应过程中,利用白光照射溶液,可以分别

2、观察到瑞利散射和米氏散射现象,并在文中研究和分析瑞利散射时光的偏振特性.关键词:硫代硫酸钠;稀盐酸;瑞利散射;米氏散射;偏振中图分类号:O436.2文献标识码:A文章编号:100524642(2010)0720027203应,产生线度小于可见光波长硫分子;利用硫分子1引言的凝聚,产生线度接近或大于与可见光波长相近光的散射是一种重要的物理现象.在光学性的颗粒.在上述过程中通过白光照射反应液,可质均匀的介质中或2种折射率不同的均匀介质的以直观地演示瑞利散射和米氏散射,并研究和分界面上,无论光的直射、反

3、射或折射,都仅限于在析瑞利散射时光的偏振特性;也可以通过该实验给定的一些方向上,而在其余方向光强则等于零,解释蓝天、白云以及日出日落与正午时天空呈现因此沿光束的侧向进行观察就难以观察到光,但不同颜色等自然现象,具有实验装置简单,物理现当光束通过光学性质不均匀的物质时,从侧向却象明显,操作方便等特点,非常适合作为物理课堂[1]可以看到光,这个现象就是光的散射.演示实验.光学性质的不均匀可能是由于均匀物质中散2实验原理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

4、尘2.1瑞利散射和米氏散射埃、烟、雾、悬浮液、乳状液以及毛玻璃等.由于这瑞利散射适用于孤立原子或分子的散射,也些微粒的线度一般小于或近似等于入射光的波适用于纯净介质的密度起伏导致的散射.瑞利散[4]长,而它们相互之间的距离比波长大,且排列得毫射具有以下4个特征:无规则,因此,在光作用下的振动彼此间就没有固1)波长不变,即散射光波长与入射光波长相定的相位关系,在任何观察点所看到的总是它们同.所发出的次级辐射的不相干叠加,到处不会相消,2)散射光强度与波长四次方成反比,即IW4从而形成了散射光.由微粒

5、引起的散射,其特征1/K.与微粒的线度有关,其中,线度小于光波长的微粒3)散射光强依空间方位呈哑铃形角分布.设对入射光的散射,称为瑞利散射;线度接近或大于入射光是自然光,则在与入射光方向呈H角(习惯光波长的微粒对入射光的散射,为米氏散射.近上称为散射角)的方向上,散射光强为2年来,一些学者对于光散射现象进行了各种实验I(H)=IP/2(1+cosH),(1)[223]研究.其中IP/2为垂直于入射光即H=P/2方向的散射本实验利用硫代硫酸钠和稀盐酸的化学反光强,散射光强分布如图1所示./全国高等学

6、校第9届物理演示实验教学研讨会0论文收稿日期:2009208225资助项目:北京市高等学校教育教学改革立项项目(2008)作者简介:王峥(1983-),女,山东临沂人,北京航空航天大学中法工程师学院实验师,硕士,主要从事物理实验教学与研究工作.28物理实验第30卷50mL和25mL的量筒各1个、、50mL的烧杯2个、玻璃棒1支、白屏1个;0.1mol/L的硫代硫酸钠溶液、0.1mol/L的稀盐酸适量,实验装置如图3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

7、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.图3实验装置示意图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a3.2实验现象观察与光波长可以比拟(a/K数量级为0.1~10)甚至打开胶片投影仪,将透明玻璃水槽置于胶片更大时,随着粒子线度的增大,散射光强与波长的投影仪上.胶片投影仪发出的强光透过玻璃水槽依赖关系逐渐减弱,而且散射光强随波长的变化投影在白色屏幕上.用烧杯将50mL硫代硫酸钠出现起伏,这种起伏的幅度也随着比值a/

8、K的增溶液倒入玻璃水槽中.用玻璃棒引流,将10mL[5]大而逐渐减少,如图2所示.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4正比于1/K.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图2瑞利散射与米氏散