电磁波散射

当电磁波遇到物体时，它会感应出振荡电荷，这些电荷会重新辐射，将电磁波散射到新的方向。

Definition

电磁散射是指入射波在物体中感应出振荡电荷和电流，这些电荷和电流将波重新辐射到其他方向的过程，其特征是截面和角分布，这些截面和角分布取决于物体相对于波长的尺寸及其电磁特性。

Scope

本主题涵盖电磁波被粒子和障碍物散射：散射和吸收截面、远小于波长的粒子引起的瑞利散射、与波长相当的粒子引起的米氏散射、光学定理，以及散射对尺寸、形状和折射率的依赖性。它将入射波与感应电流重新发射的辐射联系起来。

Core questions

• 物体如何重新辐射入射电磁波？
• 为什么瑞利散射偏爱短波长？
• 当粒子尺寸接近波长时，散射如何变化？

Key concepts

• 散射截面
• 吸收截面
• 瑞利散射
• 米氏散射
• 光学定理
• 感应偶极子
• 微分截面

Key theories

瑞利散射

对于远小于波长的粒子，感应偶极子以与波长四次方反比的强度重新辐射，解释了天空的蓝色。

米氏散射

对于与波长相当的粒子，麦克斯韦方程组对球体的完整解给出了米氏级数，其具有复杂的角模式和共振，取决于尺寸和折射率。

Clinical relevance

散射理论解释了天空的颜色和偏振、大气遥感和激光雷达、雷达截面、用于测量粒子大小和研究气溶胶和胶体的光散射，以及生物组织中的光学诊断。

History

瑞利在19世纪70年代通过小粒子散射解释了蓝天。洛伦兹和米氏（独立地）在1908年解决了任意大小球体的散射问题，为现在气溶胶、胶体和大气光学领域的核心框架奠定了基础。

Key figures

• John William Strutt (Lord Rayleigh)
• Gustav Mie
• Ludvig Lorenz

Seminal works

• mie1908
• bohren1983

Frequently asked questions

为什么天空是蓝色的？

空气分子通过瑞利散射散射太阳光，瑞利散射对短（蓝色）波长的散射强度远大于长（红色）波长，因此从天空中到达我们的散射光主要是蓝色的。

瑞利散射和米氏散射有什么区别？

瑞利散射适用于远小于波长的粒子，并且强烈依赖于波长；而米氏散射适用于与波长相当的粒子，并产生更复杂、对波长敏感度较低的模式，例如云中的水滴。