瑞利散射 Rayleigh theory

一種光學現象，屬於散射的一種情況。又稱“分子散射”。粒子尺度遠小於入射光波長時（小於波長的十分之一），其各方向上的散射光強度是不一樣的，該強度與入射光的波長四次方成反比，這種現象稱爲瑞利散射。
中文名
瑞利散射
外文名
Rayleighscattering
相關術語
大氣散射
學科分支
大氣物理學
描述
瑞利散射規律是由英國物理學家瑞利勳爵（Lord Rayleigh）於1900年發現的，因此得名。
爲了要符合瑞利散射的要求，微粒的直徑必須遠小於入射波的波長，通常上界大約是波長的1/10（1-300 nm），此時散射光線的強度與入射光線波長的四次方成反比，也就是說，波長愈短，散射愈強。
另外，散射的光線在光線前進方向和反方向上的程度是相同的，而在與入射光線垂直的方向上程度最低（如名片圖）[1]。
光學現象
（1）天空的顏色
由於瑞利散射的強度與波長四次方成反比，所以太陽光譜中波長較短的藍紫光比波長較長得紅光散射更明顯，而短波中又以藍光能量最大，所以在雨過天晴或秋高氣爽時（空中較粗微粒比較少，以分子散射爲主），在大氣分子的強烈散射作用下，藍色光被散射至瀰漫天空，天空即呈現蔚藍色。
另外，由於大氣密度隨高度急劇降低，大氣分子的散射效應相應減弱，天空的顏色也隨高度由蔚藍色變爲青色（約 8 公里）、暗青色（約 11 公里）、 暗紫色（約 13 公里）、黑紫色（約 21 公里），再往上，空氣非常稀薄，大氣分子的散射效應極其微弱，天空便爲黑暗所湮沒。可以說，瑞利散射的結果，減弱了太陽投射到地表的能量。[2]


（2）晚霞的顏色
當日落或日出時，太陽幾乎在我們視線的正前方，此時太陽光在大氣中要走相對很長的路程，我們所看到的直射光中的波長較短藍光大量都被散射了，只剩下紅橙色的光，這就是爲什麼日落時太陽附近呈現紅色，而云也因爲反射太陽光而呈現紅色，但天空仍然是藍色的。
（3）海水的顏色
水對可見光中紅光的吸收稍強於藍光，所以少量水呈現無色，大量水呈現藍色(可以理解爲水其實是有着非常非常淡藍色的液體)，在水中尺度較大的微粒的反射下使得海水看上去呈現較深的藍色，這是海水顏色的主要成因。同時在清潔的大洋水中，因爲懸浮顆粒少，粒徑小，分子散射也起着一定作用，其散射服從瑞利散射定律，對海水的藍色也有一定的貢獻作用。
原理
（1）尺度數α
散射的程度變化是粒子半徑（r）與輻射波長（λ）比例的函數，連同許多其它因子，像極化、角度、以及相干性等等。因此常引用無量綱尺度數α = 2πr/λ作爲判別標準：
當α遠小於0.1時，可用瑞利散射；
當α≥0.1 時, 需用米散射；
當α>50 時, 可用幾何光學。
（2）變化規律
下圖給出水滴的散射效率因子隨尺度數α變化的曲線。

從圖中可以看出，當α很接近0時，散射效率因子隨α增長很快，這是瑞利散射的特徵。對一同一類散射粒子（例如空氣分子），因爲半徑r是固定的，則α的加大意味着波長λ的減小。
散射效率因子隨着α的增長表明了較短波長的光散射比較長波長的強。