散射

title: 单散射和多重散射.
content: 假若辐射只被一个局部性散射体散射,则称此为单散射。假若许多散射体集中在一起,辐射可能会被散射很多次,称此为多重散射。单散射可以被视为一个随机现象;而多重散射通常是比较命定性的。这是两种散射的主要不同点。  由於单独的散射体的位置,相对于辐射路径,通常不会明确的知道。所以,散射结果强烈地依赖于入射轨道参数。对于观测者,散射结果显得相当的随机。移动电子朝着原子核碰撞是一个标准案例。由于不确定性原理,相对于电子的入射路径,原子的确定位置是个未知数,无法准确地测量出来,碰撞后,电子的散射行为是随机的。所以,单散射时常用几率分布来描述  在多重散射过程里,经过众多的散射事件,散射作用的随机性很容易会因为平均化而被凐灭不见,辐射的最终路径会显示为强度的命定性(英语:deterministic)分布。光束穿过浓厚大雾是一个标准案例。多重散射可以与扩散类比。在许多状况,两个术语可以替代使用。用来制造多重散射的光学器材,称为扩散器。  不是每一种单散射都是随机地。一个完美控制的激光束能够准确地散射于一个微粒,产生出命定性的结果。这样的状况也会发生于雷达散射,目标大多数是宏观物体,像飞机或火箭。  类似地,多重散射有时也会产生很随机的结果,特别是相干辐射。当相干辐射被多重散射的时候,强度会发生随机涨落,称此现象为散斑(英语:speckle)。假若,一个相干辐射的不同部分散射于不同的散射体,则也会产生散斑。在某些罕见的状况,多重散射的散射次数并不多,随机性并没有被平均化凐灭。学术界公认,这类系统很不容易精确地模型化。  散射的主要研究问题,时常涉及到预测各种系统怎样散射辐射。给予足够的计算资源和系统资讯,这些问题大都可以解析。一个广泛研究,更加困难的挑战是逆散射问题(英语:inverse scattering problem)。这问题主要研究的是,从观测到的散射行为,来决定入射辐射或散射体的性质。一般而言,解答不是唯一的;不同的散射体可以给予同样的散射样式。幸运地,科学家找到一些方法,来萃取许多关于散射体的资料。虽然这些资料并不完全,但还是相当有用。这些方法广泛的用于传感和计量学(英语:metrology)。  许多科技领域显著地应用到散射和散射理论。例如,雷达传感、超音波检查、半导体芯片检验、聚合过程监视、电脑成像等等。
title: 电磁散射.
content: 电磁波是一种最为人熟知,最常碰到的辐射形式。其中,光波散射是不可避免的日常现象。无线电波散射则乃雷达科技的核心物理机制。因为某些方面的不同,电磁波散射可以清楚地分支为不同的领域,各自有各自的取名。弹性散射(涉及极微小的能量转移)主要有瑞利散射和米氏散射。非弹性散射包括布里元散射(英语:Brillouin scattering)、拉曼散射、非弹性X-光散射、康普顿散射等等。  大多数物体都可以被看见,主要是因为两个物理过程:光波散射和光波吸收。有些物体几乎散射了所有入射光波,这造成了物体的白色外表。光波散射也可以给予物体颜色。例如,不同色调的蓝色,像天空的天蓝、眼睛的虹膜、鸟的羽毛等等。奈米粒子的共振光波散射会产生不同的高度饱和的,生动的色相,特别是当涉及表面电浆子共振(英语:surface plasmon resonance)。  在瑞利散射里,电磁辐射(包括光波)被一个小圆球散射。圆球可能是一个粒子、泡沫、水珠、或甚至于密度涨落。物理学家瑞利勋爵最先发现这散射效应的正确模型,因此称为瑞利散射。为了要符合瑞利模型的要求,圆球的直径必须超小于入射波的波长,通常上界大约是波长的1/10。在这个尺寸范围内,散射体的形状细节并不重要,通常可以视为一个同体积的圆球。当阳光入射于大气层时,气体分子对于阳光的瑞利散射,使得天空呈现蓝色。这是根据瑞利著名的方程序:  其中,formula_2是强度,formula_3是波长。  阳光的蓝色光波部分波长比较短,散射强度比较大;而红色光波部分波长比较长,散射强度比较小。外太空的辐射通过地球大气层时,衰减的主要原因是辐射吸收和瑞利散射。散射的程度变化是粒子直径与波长比例的函数,连同许多其它因子,像极化、角度、以及相干性等等。  瑞利散射不适用于直径较大的散射体。德国物理学家古斯塔夫·米最先找到这问题的解答。因此,大于瑞利尺寸的圆球的散射被称为米氏散射。在米氏区域内,散射体的形状变的很重要。这理论只能用在类球体。  瑞利散射和米氏散射都可以被视为弹性散射,光波的能量并没有大幅度地改变。可是,移动的散射体所散射的电磁波会产生多普勒效应,能量会稍微改变。这效应可以被用来侦测和测量散射体的速度,可以应用于光达(英语:LIDAR)和雷达这一类科技仪器。  当粒子直径与波长比例大于10的时候,几何光学的定律可以用来描述光波与粒子的相互作用。在这里,通常不称这相互作用为散射。  对于一些瑞利模型和米式模型不适用的案例,像不规则形状粒子,有很多种不同的数值计算方法可以让我们选择使用,求算散射的解答。最常见的方法是有限元方法。此法解析马克士威方程组,寻求散射的电磁场的分布。程序工程师特别设计出复杂的软件,专门计算这类问题。只需要使用者给出散射体的折射率或折射率函数,电脑就可以计算出电磁场结构的二维或三维模型。假若结构比较庞大复杂,则可能需要高功能电脑大量的运算时间,才能得到结果。  另外一种特别的电磁散射是相干回散射(英语:backscatter)。这是一个相当不为人知的现象。当相干辐射(像激光光束)传播通过一个拥有很多散射体的介质时,电磁波会被散射很多次。一个代表性的多重散射介质例子是浓厚云块。朝着原本入射方向的反方向,相干回散射效应会产生一个非常大的峰值强度。实际上,一般的电磁波很大部分都会散射回去。对于非相干辐射,散射通常会在反方向产生一个局部最大值。可是,相干辐射的峰值强度是非相干辐射的两倍。测量这些数值是很困难的。原因有两个。第一个原因是,直接地测量回散射同时也会阻挡入射电磁波。但是,科学家已经想出精巧的方法来克服这问题。第二个原因是,强度峰通常会是非常的尖锐。侦测器必须拥有非常高的角分辨率,才能够看到峰值,不会将强度峰值与邻近的低强度值平均起来。

Summary: 当传播中的辐射,像光波、音波、电磁波、或粒子,在通过局部性的位势时,由于受到位势的作用,必须改变其直线轨迹,这物理过程,称为散射。这局部性位势称为散射体,或散射中心。局部性位势各式各样的种类,无法尽列;例如,粒子、气泡、液珠、液体密度涨落、晶体缺陷、粗糙表面等等。在传播的波动或移动的粒子的路径中,这些特别的局部性位势所造成的效应,都可以放在散射理论的框架里来描述。

Scattering: Atoms or molecules which are exposed to light absorb light energy and re-emit light in different directions with different intensity. This phenomenon is an example of scattering, a general physical process where quanta of some form, such as light, sound, or moving particles, are forced to deviate from a straight trajectory by localized non-uniformities in the medium through which they pass. In conventional use, this also includes deviation of reflected radiation from the angle predicted by the law of reflection. Reflections of radiation that undergoes scattering are often called "diffuse reflections" and unscattered reflections are called "specular" (mirror-like) reflections.