光是地球生命的來源之一。光是人類生活的依據(jù)。光是人類認識外部世界的工具。光是信息的理想載體或傳播媒質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計，人類感官收到外部世界的總信息中，至少80%以上通過眼睛。

光線在均勻同種介質(zhì)中沿直線傳播。光通過不均勻介質(zhì)時一部分光會偏離原方向傳播，這是光的散射現(xiàn)象。自然界許多的現(xiàn)象與光的散射有關，比如蔚藍的天空、潔白的浪花等等，可以說光的散射讓世界絢麗多彩。讓我們初步認識一下光的色散。

我們知道視覺形成的過程如下：光線→角膜→瞳孔→晶狀體→玻璃體→視網(wǎng)膜（形成物像）→視神經(jīng)（傳導視覺信息）→大腦視覺中樞（形成視覺）。所以如果沒有光線進入眼睛，是不會形成視覺的！

視覺原理示意圖

光線通過均勻的透明介質(zhì)(如玻璃、空氣、清水）時，從側(cè)面是難以看到光線的。如果介質(zhì)不均勻，如有懸浮微粒的渾濁液體，我們便可從側(cè)面清晰地看到光束的軌跡，這是介質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結(jié)果。前者幾乎沒有光線進入眼睛，后者則是有光線進入了眼睛。

光通過溶液與濁液的對比

下面我們就對光的散射給出定義：

由于介質(zhì)中存在的微小粒子或分子對光的作用，使光束偏離原來的傳播方向或波長發(fā)生變化，向四周傳播的現(xiàn)象，稱為光的散射。

光的散射示意圖

對于光的散射可以進行如下分類：

(說明：l為散射粒子的線度；λ為光波的波長)

人們對光的散射現(xiàn)象最早的觀察要追溯到1802年德國化學家里希特（Richter）對金膠體的觀察。

光的散射的科學研究則始于1869年丁達爾（Tyndall）關于氣溶膠的工作。當一束光線透過膠體，從垂直入射光方向可以觀察到膠體里出現(xiàn)的一條光亮的“通路”，這種現(xiàn)象叫丁達爾現(xiàn)象，也叫丁達爾效應（Tyndall effect）。

各類丁達爾現(xiàn)象

在丁達爾的基礎上，英國物理學家瑞利（Lord Rayleigh，1842-1919，1904年諾貝爾物理學獎獲得者）于1899年對小粒子散射又進行了研究。實驗裝置如圖。

瑞利的實驗裝置示意圖

進一步研究表明，散射光的強度與光波波長的四次方成反比，可表示為：

這條規(guī)律稱為瑞利散射定律。即：波長愈短，散射愈強。

用這條規(guī)律可以解釋天空為什么是蔚藍的。

美麗的藍天

表面上看起來是純凈均勻的介質(zhì)，由于分子的熱運動使分子密度有漲落而引起的散射，稱為分子散射。分子散射也滿足瑞利散射定律。這也就是白晝天空之所以是亮的原因，是陽光被大氣散射的結(jié)果，如果沒有大氣，即使在白晝，人們仰觀天空，將看到光輝奪目的太陽懸掛在漆黑的背景中，在太空所見的就是這種景象。

地球外太空

不僅白晝天空亮的原因是由于光的散射，而且天空是藍色的原因也是光的散射。我們知道太陽發(fā)出的白光是復色光，由各種顏色的光復合而成。假設白光中波長為720nm的紅光與波長為440nm的青藍光具有相同的強度，由于兩種波長之比為：λ紅：λ藍≈1.64。根據(jù)瑞利散射定律，散射光中藍光的強度與紅光強度之比為：I紅：I藍=(λ紅：λ藍)^4≈7.2。可見散射光中藍光的強度約為紅光強度的7.2倍，所以散射光中藍、靛、紫成分占80%左右。靛、紫兩種成分在太陽光中占的比例本來就不大，因而天空呈現(xiàn)藍色。

既然太陽發(fā)出的是白光，旭日和夕陽為什么是紅色的？

在日出和日落之時，人們看到的太陽確實是紅色的。

夕陽紅

其實旭日和夕陽呈紅色，與天空呈藍色屬于同一類現(xiàn)象。這是因為此時的直射光線要在幾乎與地面相切的方向上長距離地穿過稠密的大氣層，直射光中的每一種單色成分都按指數(shù)律衰減，短波成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余較多的自然是長波成分了，最終自然是紅光占絕對優(yōu)勢。這便是旭日初升、夕陽西下時顏色顯得特別殷紅的原因。

盡管日出和日落之時的直射光是紅色的，但夕陽斜照下的白色墻壁不是呈現(xiàn)紅色，而是呈現(xiàn)橙黃色。這又是為什么？

朝陽或夕陽下的墻壁

這是因為墻壁不僅接受到紅色的直射光，還接受到來自天空的散射光。這時的大氣和云朵已不是對白光進行散射，而是對已被濃密的大氣過濾過的以黃橙為主的直射光進行散射。散射光的光源亮度雖遠不及直射光的光源，但其面積遠大于直射光的光源。最終的結(jié)果使得被陽光照射的墻壁呈黃橙色。

因為紅光透過散射物的穿透能力比藍光強，因此通常情況下，危險信號燈、交通禁行燈等采用紅色，使有關人員在能見度低的情況下，能盡早發(fā)現(xiàn)采取措施。

紅色的信號燈

當散射微粒的線度大于波長時，瑞利散射定律不再成立，散射光強度與微粒的大小和形狀有復雜的關系。當散射粒子的線度大于十分之幾波長，甚至與波長相當時瑞利散射定律不再成立，此為大粒子散射，稱為米氏散射。

米（G.Mie)和德拜(P. Debye)分別于1908年和1909年以球形質(zhì)點為模型計算了電磁波的散射。米－德拜的計算表明，只有球半徑滿足

時，瑞利散射定律才是正確的。當a較大時，散射強度與波長的依賴關系就不明顯了，米－德拜的計算結(jié)果如圖。

米－德拜的計算結(jié)果

當入射光的波長大于十分之一時，散射光的強度與波長的依賴關系不明顯。因此散射光的顏色與入射光相近，白光入射將觀察到白色的散射光。

云霧中是透明的液滴，其尺寸多半在微米與亞毫米之間，即與光波的波長相近，或是比后者大1～2個量級。發(fā)生的散射屬于米氏散射，這就是云霧呈白色的緣故。

關于瑞利散射和米氏散射的現(xiàn)象生活中隨處可見，例如，點燃的香煙冒出藍色的煙，但從口中吐出的煙卻是白色的。為什么呢？

青煙

這是因為組成煙的微小顆粒藍光散射強烈，發(fā)生瑞利散射；而從口中吐出的煙，由于凝聚了水蒸氣在其上，顆粒變大，屬于米氏散射，故呈現(xiàn)白色。

入射光與介質(zhì)的分子運動間相互作用而引起的頻率發(fā)生改變的散射。1928年C.拉曼在液體和氣體中觀察到散射光頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，稱拉曼效應或拉曼散射。 

拉曼散射和布里淵散射為研究分子結(jié)構(gòu)或晶體結(jié)構(gòu)提供了重要手段。借助于拉曼散射可快速定出分子振動的固有頻率，并可決定分子結(jié)構(gòu)的對稱性、分子內(nèi)部的力等。激光問世以來，關于激光的拉曼散射的研究更得到迅速發(fā)展。強激光引起的非線性效應導致了新的拉曼散射現(xiàn)象，如在強激光作用下產(chǎn)生的受激拉曼散射，可獲得高強度的多個新波長的相干輻射，用于大氣污染的測量。散射還可以應用于測量微粒的大小，散射與通信技術關系也很密切。

光的散射肯定還有許多問題值得人去探索，也有很多應用待人去開發(fā)。