光学现象整理

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2022-08-18 00:38 620阅读 0赞

# 光学现象整理 #

\[以下内容均为网摘, 特此申明\]

**透过火焰上方空气看物体，会发生扭曲是为什么？**  
温度影响空气中的水蒸气，从而改变了空气的密度，所以折射率（光在真空中的速度与光在该材  
料中的速度之比率。）发生了变化，光改变了传播方向。

**折射时一定发生色散吗？**  
（折射：光从一种透明介质斜射入另一种透明介质时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。）  
单色光折射时并不发生色散，复色光折射后肯定会色散。只是有时明显有时不明显，那要看介质了。各种色散光的波长不一样所以肉眼只能看到7种可见光，有的波长的光肉眼是看不到的。

光密介质：  
光疏介质：

人眼对绿色最敏感，对蓝色不敏感。  
吸收  
反射  
折射  
干涉  
衍射  
偏振  
色散

**为什么透明物质入射角越大，反射率越大？如果是金属呢？**  
不透明介质如金属的反射率为100%,非镜面则与颜色、温度、光的属性等诸方面因素有关。透明介质的反射率的大小与光的入射角有关,入射角越大,反射率越大，例如,光从光密介质进入光疏介质时,当入射角达到临界角时,发生全反现象,小于临界角时,则是部分反射。  
在介质折射率连续变化的情况下（例如光线连续穿过两种不同折射率的玻璃时），由于在不同界面的反射光线产生干涉效应，其反射率还与介质厚度有关.追问光从光疏介质进入光密介质呢，如何解释？  
我不认为金属的反射率与入射角的角度无关。回答光从光疏介质进入光密介质反射光和折射光的能量随入射角的变化情况如下：入射角增大，反射光能量增大，折射光能量减小 ，反射光会发生“半波损失”。追问为什么？回答在透明基板上镀金属薄膜，再镀上低折射率材料膜；然后镀高、低折射率材料组合；最后镀高折射率材料或金属。在保证电极的电子注入的情况下，可以有效地提高电极的反射率，使其达到95％以上。

**菲涅尔反射**  
“菲涅尔”是一个人的名字，因为他发现了一个有关反射的光学现象，这个现象就用这个人的名字命名了。那么，是什么现象呢？  
这就是反射/折射与视点角度之间的关系。  
如果你站在湖边，低头看脚下的水，你会发现水是透明的，反射不是特别强烈；如果你看远处的湖面，你会发现水并不是透明的，但反射非常强烈。这就是“菲涅尔效应”。  
简单的讲，就是视线垂直于表面时，反射较弱，而当视线非垂直表面时，夹角越小，反射越明显。如果你看向一个圆球，那圆球中心的反射较弱，靠近边缘较强。不过这种过度关系被折射率影响。  
如果不使用“菲涅尔效应”的话，则反射是不考虑视点与表面之间的角度的。  
注意，在真实世界中，除了金属之外，其它物质均有不同程度的“菲涅尔效应”。  
所谓菲涅尔反射就是用波动的理论来解释光的反射。

**湿衣服的颜色为什么会变深**

不仅是衣服，还有地面上被水打湿的地方也会显得更暗一些。为什么呢？  
两个概念：漫反射和镜面反射。漫反射是指当光线照到凹凸不平的物体表面时，就会被杂乱无章地、随机地向四方八面反射，你也可以理解成“自由散漫地反射”；而当一束平行光射到一个特别平的平面上（例如镜面），反射回来的光线也是平行的，这种反射叫做镜面反射。  
对于一个漫反射光线的物体来说，我们无论从哪一个角度看它，都可以基本同等地接收到它反射回来的光，而且不会有明和暗的差别；但如果是镜面反射的话，我们只有站在特定的角度，才能看到它反射出来的光线。  
衣料和地面虽然看起来很光滑，但它们的表面实际上都是一些细小的纤维或者小突起，对“挑剔”的光线来说这都是凹凸不平的表面，照在上面时就会发生漫反射，所以在我们看来，干衣服和干地面的颜色都是一致的，不会有明暗差异。  
而被水打湿后，衣料表面的细小纤维被水压下，地面的小突起被水填平，这就形成了镜面反射的条件。这时，如果恰好从光线发生镜面反射的角度去看，你就能看到集中反射出来的光线形成了一块亮斑（拿一块沾湿的布在眼前变换角度试试看，你一定能找到镜面反射产生的亮斑）。不过镜面反射只会发生在一个非常小的角度范围内，在此之外的大部分角度很少反射光线，所以衣服上被水打湿的地方一般看来颜色会深一些。

主要原因是地面渗滤系数不同造成的，即使是同一区域同一材质地面，渗滤系数在不同微区域也有差异。渗滤系数小的，表面有积水；大的，雨水径流已经下渗。积水区域主要是镜面反射，非积水区域主要是漫反射，所以看起来有差异。  
下图院内是铺设了砂基透水砖的地面，而院外是普通水泥地面，可以看出有明显差异。

**水中倒影**  
因为满足了两个条件：  
水与空气的折射率存在较大差别，两种介质界面处有明显的反射现象；  
水面较为平整，反射时接近镜面反射而非漫反射，可以成像。

**衍射与散射的区别究竟在哪里？**  
有同学曾经问我究竟散射和衍射的区别在哪里？对于这个问题恐怕不仅是我同学搞不清楚，估计还有不少非擅长物理的同学也是一头雾水，在这里本人将就这个问题尽可能地解释清楚。有一些资料来自于百度网友的贡献，在此表示感谢，本文并非用于商业目的，只是做一些科学普及，所引用的资料不再一一在文中标明原始文献，请不要指摘我“抄袭”。  
百度知道里面有很好的解释，我将这些资料仔细整理之后，重新编排一下，如下文所示：  
衍射是波的一种物理特性。光（也可以是波）在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。衍射是波所固有的物理特性。衍射也叫绕射（某些译法）。因此就不与物体发生作用。  
散射是一种物理现象，而不是物理特性。在光学中的定义，散射就是由于介质中存在的微小粒子（异质体）或者分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。散射时光必须与物体发生作用,即与物体接触并且被物体反弹或穿透物体发生折射。散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也能够清楚地看到这些介质散射的光。  
衍射不是说就一定没有光的散射,只不过是发生散射的那部分光不叫光的衍射。  
发生作用与否可能是主要判别点。

下面就在英文中的解释一并粘贴上，供大家更好的理解。  
Question - what is the difference between scattering and diffraction  
since in both cases waves bend at the point of contact with the object?  
\-----------------------------------

Scattering and diffraction are both things that waves can experience, but  
they are not the same thing. They are not caused by the same thing（它们诱导的原因不同）.  
Scattering is understood in terms of particles, and behaves similarly for  
waves. We do not truly understand why diffraction occurs.

Scattering is effectively bouncing off（弹开） something. For waves, it is being（分为弹性散射和非弹性散射这里不讨论这个）  
absorbed and then almost immediately released in another direction.（波被吸收以后立即释放的过程，散射过程形象说明）  
Scattering occurs because an object gets in the way of the wave（物体阻挡波的道路）. The part  
of the wave that strikes the object（波打在物质上） must either pass through (light through  
glass), be absorbed (sunburn), or be scattered (light bouncing off the wall,  
so we can see the wall).（波要么被吸收，要么透过，要么散射）

Diffraction is due to part of a wave being removed. It is an action taken  
by the part of the wave that does NOT strike an object.（波没有打在物质上） Imagine a straight  
wave traveling forward along the surface of the water. If you block the  
left half of the wave, the right half will not just keep moving forward. It  
will expand toward the left, toward where the blocked wave would have been.（一束光左半部分被阻挡，另一半不会继续朝着直线走，它会照顾左边没有光的部分，从而分一些光与左边部分）。  
A wave seems to continuously regenerate itself，always pushing forward on  
itself. When a section is removed, parts of the wave get pushed in to the  
empty spot. It in some ways correlates to your pushing a wide row of  
blocks. If many people push on a few blocks each, a straight line can be  
maintained. If one person tries to do so, the blocks in front will tend to  
spread out.  
This is the best description of diffraction I know.

Dr. Ken Mellendorf  
Illinois Central College  
（以上的散射与衍射是给一个15岁的中学生讲解的，您看明白了么？本人觉得还是很形象的）

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以上解释只是一些现象的解释，为了能够给非物理专业的同学解释明白，没有利用电磁学或者电动力学或量子理论解释。  
还希望大家能够批评指正，给出更好的解释。给出更好更形象的解释。  
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附件：要解释天空是蓝色的，首先我们就必须要知道一个人要看见物体，就必须有光从那个物体的表面发生漫反射进入到人的眼睛才能看到，然后在从物体表面传到人的眼睛，所以人才看见天是蓝的，那为什么天不是红的或是绿的呢？我们知道波浪吧，浪越高，那么它遇到障物时，他就可以直接从物体上爬过，而不容易被物体当住，而反弹回来，相对浪较小就会容易被障碍物当住并被反弹回来。光也是一样的，由于红光与绿光等它们的波长较长，在遇到空中的小微粒时，它们就发生衍射而直接绕过障碍传出去。而刚才我们说了，衍射是不能看见物体的，所以我们没有看见红天或是绿天，而蓝光波长较短所以容易被空中那些微粒所当住而被发生发生散射，然后蓝光进入我们的眼睛被我们看见，所以我们看见的是蓝色的天空，那你可能要问那紫光的波长是最短的，那为什么我们不看见紫色的天空呢，这是因为我们人的眼睛欺骗了我们，其实也是有紫光的，但由于人对蓝光相当敏感，所以紫光就不突出了，人自然看见蓝色的天空拉。

**为什么当粒子直径小于光的波长时,会使光发生散射?**

散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也能够清楚地看到这些介质散射的光。这种现象就是光的散射。

在光学中的定义，散射就是由于介质中存在的微小粒子（异质体）或者分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。

浑浊介质有多种不同的形式。主要是以下几种：

1．气体中混有固体微粒，即大气中有烟，灰尘；

2．气体中混有微小液滴，就象雾；

3．液体中混有固体微粒，称为悬浊液；

4．液体中混有另一种液体的微小液滴，称为乳剂。

当光通过这些介质时都会发生散射。我们平时说，光是直线传播的（这里不考虑光的衍射），但是实际上光波只有在真空或均匀介质中传播时，才有确定的传播方向。

如果介质不均匀，即有异质体存在，就会有散射现象。实验发现，这里的关键是折射率的不同，如果两种物质的折射率相同，把它们混在一起时就和只有一种介质一样，并没有散射光。浑浊介质中的异质体的线度要比光的波长大时，散射作用是很强的，这种散射也称丁达尔散射或者丁达尔效应。丁达尔散射的强度是与光波波长无关的，因此，当入射光是白光时，我们看到的散射光也是白光。

另外，即使仔细清除所有的杂质，即在非常纯粹的气体或液体中，由于分子的热运动引起了介质密度的涨落而造成折射率不均匀，也会有散射现象发生。虽然它们的散射强度远远小于丁达尔散射，但这种现象还是普遍存在的。我们称光在这种纯粹物质中的散射为分子散射。

实验证明，极微小异质体（异质体线度比入射光波长小很多）产生的散射和分子散射的散射规律与大颗粒异质体散射（丁达尔散射）不同，其散射强度是与入射光的波长有关的，即散射强度与光波波长的四次方成反比，这就是瑞利散射定律。这类散射也称为瑞利散射。瑞利散射时，由于蓝光波长较短，其散射强度就比波长较长的红光强，因此散射光中蓝光的成份较多。

**关于“漫反射”和“散射”的区别**

“漫反射”遵从反射定律，几何尺寸远大于光波长；“散射”遵从有关散射规律，如瑞利散射等，几何尺寸小于光波长

两者就是一回事，不要究字眼，都是不定方向的反射

“漫反射”遵从反射定律，几何尺寸远大于光波长；“散射”遵从有关散射规律，如瑞利散射等，几何尺寸小于光波长支持。反射理想情况反射前后能量不变 散射有能量交换

“漫反射”遵从反射定律，几何尺寸远大于光波长；“散射”遵从有关散射规律，如瑞利散射等，几何尺寸小于光波长谢谢，这里的尺度是指 障碍物吧？

1. 漫反射没有光波频率的变化， 散射可能存在光波频率变化。光波频率变化散射属于非线性散射，如拉曼散射等。  
2. 从几何光学的角度看，准平面漫反射的光线转角小于90°，即不会反射到漫反射平面的后面，而漫反射面的每个微镜面仍然可视为平面，反射定律对各微镜面均适用；散射光相对于入射光的转角则可以大于90°，而且可能不遵守通常意义上的反射定律，即散射角并不一定等于入射角，而遵从量子尺度下的动量守恒和能量守恒。  
3. 从波动光学的角度看，漫反射仍然可以被完备的讨论，而散射过程的讨论会存在困难，往往需要借助量子光学的思想。  
4. 从光粒子说的角度看，漫反射不过是界面处发生的弹性碰撞过程，而散射过程往往是各类非弹性碰撞的综合结果——甚至需要采用量子进行讨论。

光入射物体表面 会被反射 吸收 和 透射。透射由于介质折射率不同 光路会改变，也叫折射。漫反射就是凹凸不平表面的反射， 而散射涉及到折射率的涨落问题， 属于光在纳米级颗粒中由于折射率变化引起光路改变的透射。  
山慈菇 (站内联系TA)  
漫反射是光线照射在不光滑表面光线向四面八方不同角度反射，人能在不同的角度看到同一个物体就是因为光线照射在物体上产生漫反射，反射光线进入人眼。  
散射是根据三棱镜原理将一束光线分散开来成为七种不同的光，但是散射只产生在复合光中，像单色激光不会产生散射。  
原创望采纳

还有一个重要不同，漫反射光偏振态混乱，与方向大致无关；散射光的偏振态与散射方向有严格关系，在与原光束方向垂直方向的散射光为线偏振光。

漫反射是光线照射在不光滑表面光线向四面八方不同角度反射，人能在不同的角度看到同一个物体就是因为光线照射在物体上产生漫反射，反射光线进入人眼。  
散射是根据三棱镜原理将一束光线分散开来成为七种不同的光，但 ...散射是非纯净介质中的颗粒作为散射中心，向四周再次发射光波的结果。或是纯净介质中的均匀性涨落引起的折射率局部变化产生散射中心，对于入射光的散射。散射光强弱与入射光波长有关，一般是1/波长的某次幂关系。非纯净介质散射中心尺寸大时，幂次为零，即散射光强度对各个波长一样没区别。非纯净介质散射中心尺寸小时，幂次接近4；纯净介质散射，幂次为4，即瑞利散射。这样短波长光散射厉害，因此天空在白天，特别正午呈蓝色。

漫反射是光线照射在不光滑表面光线向四面八方不同角度反射，人能在不同的角度看到同一个物体就是因为光线照射在物体上产生漫反射，反射光线进入人眼。  
散射是根据三棱镜原理将一束光线分散开来成为七种不同的光，但 ...你的三棱镜解释显然不对。

两者就是一回事，不要究字眼，都是不定方向的反射机理不同，完全不是一回事。现象上，漫反射光波长与入射光一致，漫反射光组合起来偏振态混乱。散射对于各种波长散射强度与波长有关，一束白光入射，短波长光容易被散射，因此红光在雾天穿透性好，因为长波光散射少。另外，散射光偏振态与散射角有关。

两者就是一回事，不要究字眼，都是不定方向的反射另外，非弹性散射，入射光会与散射介质分子内部振转能级发生作用，产生所谓的拉曼散射，布里渊散射，散射光波长不等于入射波波长，产生斯托克斯散射和反斯托克斯散射。

改日，我将我有关散射的一段讲义上传。大家稍安勿躁。

错！漫反射是让物体在各个方向观察到物体，而不象一束光打在光学镜面上的反射光闪耀你的眼睛，反而看不清物体。比如室内照相，如果将闪光灯直接打到你脸上，照片上显得你油光闪亮。而有经验的摄影师将闪光灯打在天花板或侧面墙上，闪光灯经过墙壁的漫反射再打在你脸上，照片中你的脸将柔和很多。  
最常见的散射是利用一束激光打过来，你在侧面观察，如果在真空中，你在侧面将看不到激光束。但是，如果空间有灰尘，烟雾，激光束就会被灰尘的散射中心所散射，你将在侧面清晰地看到激光束。这就是散射的作用。

漫反射是光线照射在不光滑表面光线向四面八方不同角度反射，人能在不同的角度看到同一个物体就是因为光线照射在物体上产生漫反射，反射光线进入人眼。  
散射是根据三棱镜原理将一束光线分散开来成为七种不同的光，但 ...楼主问的是散射不是色散:hand:

楼主问的是散射不是色散:hand:...不是，是光与微小物质的相互作用:)

这个问题刚刚在另一个帖子讨论过，沾过来讨论讨论。  
....  
....  
从微观角度看，光学的现象都是光子散射的统计结果，以演绎的方法，用量子力学的散射理论，原则上可以推出各种光学定律，所以，广义地讲，反射（漫反射）也是一种散射行为。  
此外，更容易使人困惑的是散射与衍射的区别，衍射可以看成由个别的不均匀区域造成的，比如波长大小的小孔，或者单个波长大小的障碍体，都可以称之为衍射；如果波长大小的障碍体很多的话，比如pm2.5的霭，当然对于每个小颗粒，光都会发生衍射，但是大量颗粒对光的衍射是互相干扰的，而且颗粒的分布一般是不规则而又随机的（规则分布的晶体除外，晶体中光散射常称为衍射），就看不到衍射的特征了，这是称之为散射；而对于反射而言，也是大量光子在边界散射的统计效应。  
不准确地讲，分析光子的行为，量子力学散射理论是方程式，而散射，反射，衍射，则是不同的边界条件。当然，这种方法只是原则上的方法，目前为止，即使是分析光在较简单的散射体（如生物样品）中的传播，也不得不借助计算机构建近似模型来模拟光散射的行为。  
仅供参考，谢谢指正。

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