光在蛋白石中的散射

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影片中這顆具有蛋白光澤的蛋白石,是由球狀微粒的矽石所組成的膠體晶體。膠體晶體是指直徑相同的顆粒(100nm到1000nm)在水這類液體中按照類似於原子晶體結構排列方式而成,因為顆粒小到足以保持布朗運動而不至在液體中很快沉積,因此稱為膠體晶體。由於蛋白石中的微粒大小符合「瑞利散射」的條件,而「瑞利散射」的散射光強度則與入射光波長的四次方成反比,因此就能呈現出將藍光散射的現象。

光束在傳播時部分光線偏離光束原方向而分散的現象稱為光的散射,可分為下列幾種方式:

(1)表面散射-光束在兩介質界面上反射和折射時,因表面非光滑,部分光線偏離而分散傳播。日常生活中我們之所以能看見桌子、書本等各種物體,大都是由於它們的表面散射(漫射)。

(2)體內散射-光束在同一介質中傳播時,因介質的非均質,部分光線會偏離原方向分散傳播的現象。牛奶的白色、藍色的天空等,就是體內散射所導致。

太陽光的相對強度(以進入大氣層前的強度為1)

顏色 波長nm 中午的強度 早、晚的強度
660nm 0.96 0.23
540nm 0.90 0.04
470nm 0.85 0.003
410nm 0.76 0.00007

(3)彈性散射與非彈性散射-主要區別是散射時光子能量是否發生變化。當光束照射物質時,入射光的電場會引起物質本身的電子做相同頻率的週期性振動,振盪的電子隨即成為電磁輻射的新來源而產生散射光,是一種散射光子能量不變的彈性散射,稱為「瑞利散射」。倘若入射光照射物質會使分子的振動或轉動狀態發生改變,則稱為「拉曼散射」,是一種散射光子能量會改變的非彈性散射。瑞利散射是發生在物質粒子直徑小於1/10 波長時,因此大小約4埃的空氣分子經數千埃的可見光照射時會發生瑞利散射。另有由球形微粒所生的「米氏散射」,是在粒子直徑等於或大於波長時所發生,因此大小約數十微米的灰塵或是雲霧水滴均屬於米氏散射。其中的「米氏散射」之散射光強度與入射光波長無關,例如牛奶所呈現的白色。而「瑞利散射」的散射光強度則與入射光波長的四次方成反比。在連結影音中模擬了夕陽的顏色會偏紅,這是因為早、晚的陽光與中午的陽光穿過大氣層的距離不同。光在空氣中傳播時,由於空氣分子會發生瑞利散射,波長越短,散射程度越大,藍紫光被散射較多,因此天空呈現藍色(人眼的錐細胞對紫光不敏感),而直射光顏色則偏紅。如表所示,中午的陽光穿過空氣的路程約8公里,各種波長光的散射損耗都不大。而黎明與黃昏的陽光穿過空氣的路程卻可達290公里,因此散射損耗相當嚴重,其中又以短波長的光更明顯。因此夕陽中的藍紫光幾乎全部損失,而所看到的太陽就是橙紅色的了。至於有人將紅色的夕陽歸因於空氣中的水氣所導致,這種說法是有爭議的,因為小水滴對陽光的米氏散射與波長無關,而這也是白雲之所以呈現白色的原因。最後,請思考為何颱風來襲前天空偏紅?

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利用熱溶膠條來演示光的散射