衍射、色散和散射的區別

先請看下面兩例：

例1 早上太陽從東方升起，人們看到太陽是紅色的，這是因為( )

(A)紅光沿直線傳播。

(B)紅光的波長長，衍射現象明顯。

(C)紅光的折射率小，傳播速度大。

(D)人們的視覺對紅光更敏感。

分析許多同學認為例1、例2的正確選項分別是(B)和(D)，然而，這些選項并不正確，

光的衍射是指光在傳播過程中，當遇到小的障礙物、小孔或狹縫時，光線偏離了原來直線傳播方向，在障礙物或小孔的尺寸可以跟光的波長相比擬甚至比光的波長還要小的時候，就會發生明顯的衍射現象。

光的色散是指復色光分解成單色光，從本質上講是指光通過物質時，光的傳播速度將小于光在真空中的傳播速度，并且隨頻率的變化而變化，從而表現出同一種物質對不同頻率色光的折射率不同，最后出現了復色光分解成單色光的現象。

光的散射是指當光通過非均勻介質，例如當光通過塵埃、煙、霧、懸浮液、乳狀液等這類渾濁物質時，由于這些渾濁物質的雜質微粒的線度一般說來比光的波長小，而它們之間的距離比光的波長大，從而形成了散射光。

仔細思考光的衍射、色散和散射這幾個概念之間的區別，我們就會發現例1的參考答案混淆了光的衍射和光的散射這兩個概念，衍射是由于個別的不均勻區域(如個別的小孔、縫或小的障礙物等)所形成的，這些不均勻區域范圍的大小一般可以與光的波長相比擬；而光的散射是由于大量排列不規則的非均勻的小“區域”的集合所形成的，這些非均勻小“區域”的線度一般比波長小，對每一個這種小“區域”，雖然也有衍射發生，但由于不規則的排列而相互發生不相干的疊加，所以就整體而言，觀察不到衍射現象，這種線度小于光的波長的微粒對入射光的散射現象通常稱為瑞利散射，這種散射光的強度與波長的四次方成反比的關系稱為瑞利定律，瑞利定律說明了散射光中短波占優勢，所以觀察到白光的散射光帶青藍色，而直接通過散射物質的光，由于缺少了短波的成份，便顯得比較紅，例如紅光的波長(λ＝7.2×10_-7m)是紫光波長(λ=4.0×10_-4m)的1.8倍，根據瑞利定律，在入射的紫光光強與紅光光強相等的條件下，紫光的散射大約是紅光的(1.8)₄倍(即10倍)，只有在微粒線度比光波的波長小的情況下，才能夠觀察到這種符合瑞利定律的散射，若微粒線度超過了波長，那么，在微粒內各點入射光位相的差便不可忽略，因而強度與波長之間就沒有這種簡單的關系了(λ的冪次將低于4)，比如，白云是由大氣中的水滴形成的，由于這些水滴的半徑與可見光的波長相比已不算很小，瑞利散射不再適用，這樣，水滴產生的散射與波長的關系不大，這就是云霧呈現白色的緣由，

如圖2所示，清晨日出或傍晚日落時，看到太陽呈紅色，這是因為此時太陽光幾乎平行于地平面，穿過的大氣層最厚，所以波長較短的藍光、黃光等幾乎都朝側向散射，僅剩下波長較長的紅光到達觀察者，(接近地面的空氣中有塵埃，更增強了散射作用)，當天空中有云塊時，云塊被太陽光所照射，也呈紅色，從而形成了朝霞或晚霞，這時仰觀天空時仍是淺藍色，正午時太陽光所穿過的大氣層最薄，散射光不多，故太陽光仍呈白色，在光學理論中，發生這種散射現象的原因是：由于大氣中不規則的分子的運動，使得大氣中不斷產生不均勻的疏密部分，因而使太陽光散射，這種散射稱為分子散射，晴朗的天氣天空之所以呈淺藍色，也是由于大氣對光的散射，大氣散射一部分來自懸浮的塵埃，大部分則是由于密度漲落引起的分子散射，由于后者的尺度比前者小得多，所以瑞利關于λ₄反比律的作用更明顯，根據瑞利定律，淺藍色和藍色光比黃色和紅色的光散射得更厲害，故散射光中波長較短的藍光占優勢，又如，白晝的天空之所以是亮的，完全是大氣散射陽光的結果，假如沒有大氣層，即使在白晝，人們仰望天空，將看到光耀眩目的太陽懸掛在漆黑的背景中，這是宇航員常見到的空中景象。

綜上所述，例1和例2所述現象均屬于光的散射現象，可見，這兩道題均沒有正確的選項。