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白色与光散射  

2009-08-04 20:23:43|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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LMGratton, T L?opez-Arias, G Calz`a and S Oss

Physics Department,
University of Trento, 38100 Povo (Trento), Italy

Gezhi.org/
joyphys   joyphys.spaces.live.com 编译

光散射与白色

白色与光散射 - 格致 - 格致

图1,三个容器分别盛有水和牛奶(左)、水(中)、糖浆和牛奶(右)。左边容器显示有光散射,而最右边容器中的液体透明,尽管它有与左边容器中等量的牛奶。

向一个小碟子中加一点水。将这个碟子放在一本书的某一页上。然后慢慢往碟子中加几滴牛奶,充分混合。使牛奶一滴一滴加入,直到看不见书页上的字为止。现在碟子中的液体即为白色。现在,往碟子中加精糖,一次一点点,尽可能使糖充分溶解。当加入适量的糖之后,又可以看到书页上的字了,液体又透明了。图1从左至右三个容器中分别装有40滴牛奶、清水、糖的水溶液与40滴牛奶的混合物。第一个容器中液体的白色源自乳脂粒子对光的非相干散射。然而,第三个容器中也有40滴牛奶,它下面的书页的像却可以看到。糖怎么阻止了光散射?要回答这个问题,我们需要搞明白两个概念:透明和白色的起源。

透明、白色和光学匹配

我们知道,当光照到一个物体上,光会在表面上被反射,在边界上折射,在材料块体中被散射或吸收。许多东西(如纸、纺织品、牛奶等)呈白色便与散射有关,与散射有关的还有许多自然现象如云、雪、雾等。透明的东西可以传播所有波长的光,光出来的方向与每种波长的光的折射率有关。而不透明的东西,光向各个方向散射,物体的颜色与物体表面反射的光的波长有关。

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2,派热克斯玻璃碎块是透明的,然而派热克斯玻璃粉末却是白色的,这是由玻璃粉末个表面上光的多重非相干反射(散射)造成的。

2是白色的一个具体的例子。派热克斯玻璃碎块是透明的,然而变成粉末堆在一起就成白色的了。同样的东西,不同的光行为。大块派热克斯玻璃几乎一点都不散射,光部分折射部分在玻璃中传播。对于一堆派热克斯玻璃粉末,光在每一小片派热克斯上非相干地反射,这些反射合成的结果就是玻璃粉末呈白色。现在对图1可以有个清楚的解释了。光与乳脂粒子的相互作用类似光与玻璃细碎片的相互作用。白色是光在每个乳脂粒子上多重反射——散射——的结果。糖怎么会组织这种现象呢?糖使液体重新透明。我们先看另外一个实验。

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3. 分别盛有蓖麻油(左)和清水(右)的牌热克斯烧杯放入装有相应液体的槽中。蓖麻油和派热克斯玻璃有很好的光学匹配性,消除二者之间的光学边界,而水与派热克斯玻璃之间仍有光折射。

两种物质之间边界上的光折射可以消除,如果这两种物质的折射率相匹配,这样就消除了它们之间的光学边界,光就像在单一介质中传播。如图3,左边是派热克斯玻璃烧杯,烧杯中装有蓖麻油,杯子浸在蓖麻油池中。派热克斯玻璃的折射率是1.474,蓖麻油的折射率在1.47901.4805之间。烧杯浸在蓖麻油中的部分不可见,只有刻度还能看见,这是因为蓖麻油与派热克斯玻璃有很好的光学匹配,当然,这种光学匹配只针对某特定波长。然而,水槽中盛水的烧杯轮廓却清晰可见。因此,如果有充足的光学匹配物质,派热克斯粉末也会变成透明的。

放在一起

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4 三个容器中都有派热克斯玻璃粉末,其中两个碟子另外分别还盛有水(下)和蓖麻油(上),中间的碟子中只有玻璃粉末和空气。最下面和中间的碟子中有明显的光散射现象。最上面的碟子中,蓖麻油和玻璃粉末有很好的光学匹配,玻璃粉末好像消失了。

将一块派热克斯玻璃磨成末,一份放入盛水的小碟子中,一份放入空无一物的碟子中,另一份放入盛有蓖麻油的小碟子中。前两个碟子中,光的漫射类似图2右图。但是,图4,最上和最下两个小碟子差别却很大,这种差别很显然与玻璃粉末周围介质(即蓖麻油或水)有关。最上面碟子中,蓖麻油和玻璃粉末有良好的光学匹配性,二者之间的光学边界消失,于是光无扰地传播。图四最下面的小碟子中的玻璃粉末与图1左边小碟子中的牛奶乳脂粒子的作用相似,使光发生多重反射和散射。

牛奶是由水和脂肪胶束组成的乳状液。水和脂肪胶束各自都是透明的,但是牛奶却呈白丝。水的折射率是1.333,脂肪胶束的折射率在1.4331.5000之间。因此,光在脂肪粒子和水的边界上会发生折射,在众多脂肪粒子的表面会发生多重反射。这就是牛奶呈白色的原因。牛奶中脂肪胶束大小在110微米之间,远大于光的波长。如果图1左边容器中的液体是透明的,说明光在其中沿直线传播。

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