郭 敏

(東北師范大學物理學院　吉林 長春　130024)

閆誠實

(沈陽市第四中學　遼寧 沈陽　110023)

戴 瑞

(東北師范大學物理學院　吉林 長春　130024)

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漫談光的散射等光學現(xiàn)象
——古今詩人對天空光現(xiàn)象文學描述的解讀

郭 敏

(東北師范大學物理學院吉林 長春130024)

閆誠實

(沈陽市第四中學遼寧 沈陽110023)

戴 瑞

(東北師范大學物理學院吉林 長春130024)

摘 要：通過體會詩人對日出、日落、藍天、白云、春水、霧靄等美景的描繪，分析其形成的原因，解釋光不同散射現(xiàn)象的形成條件，說明散射光的一些性質，簡單列舉散射的應用，以文抒情，以景悟理.

關鍵詞：古詩美景散射應用

江南好，風景舊曾諳；

日出江花紅勝火，春來江水綠如藍.

能不憶江南？

這首《憶江南》[1]是唐代詩人白居易晚年回憶江南生活時所寫的3首詞之一，也是其代表作，重點表達了詩人對江南美景的回憶.白居易青年時就曾漫游江南，行旅蘇杭；中年時又先后做過杭州、蘇州刺史，后來回到洛陽，此詞便是他67歲時在洛陽所作.

如畫的意境在詩中體現(xiàn)，當您引用這美麗的詩句來表達對美景的感嘆時，可曾想到，在這名句之中，同時凝聚著詩人白居易對光學現(xiàn)象的洞察力.

“日出江花紅勝火，春來江水綠如藍”意思是日出時江水泛起的水花在朝陽下呈現(xiàn)火紅的顏色，春天到來時江中流水的顏色是綠得發(fā)藍.兩句都寫江，詩人選擇了一天中最好時間和一年中最好的季節(jié)，通過尋找江水顏色的變化，生動地描繪了江南春色的美好.

日出時候在朝陽紅的映襯下，萬物都變得通紅，這種現(xiàn)象在夕陽西下的時候也會出現(xiàn)，不過，此時便叫做夕陽紅了.古今多少詩人感慨于這樣的美景，有的抒發(fā)日出東南隅的朝氣蓬勃，有的則感嘆于夕陽西下的悲涼.

宋朝開國皇帝趙匡胤曾在靈山寺門前作《詠初日》[1]

太陽初出光赫赫，

千山萬山如火發(fā).

一輪頃刻上天衢，

逐退群星與殘月.

乾隆己酉四月登日觀峰看日出[1]

忽見明霞吐海東，

天雞初唱五更中.

未收夜色千山黑，

漸發(fā)晨光萬國紅.

杜審言《和晉陵陸丞早春游望》[1]

云霞出海曙，

梅柳渡江春.

白居易《暮江吟》[1]

一道殘陽鋪水中，

半江瑟瑟半江紅.

毛澤東《憶秦娥·婁山關》[2]

蒼山如海，

殘陽如血.

楊慎《臨江仙·滾滾長江東逝水》[1]

青山依舊在，

幾度夕陽紅.

這些詩句都生動、集中地表現(xiàn)了日出與日落時的自然景象.日出東南時太陽是火紅的，中午太陽當空照時是耀眼的白色，日落西山時太陽又變成了火紅的顏色.為什么一天中太陽要變換它的顏色？又為什么會出現(xiàn)朝陽紅和夕陽紅呢？

從光學的角度講，這是因為太陽光在穿過大氣層時發(fā)生了散射的緣故.我們都熟悉光的反射和折射現(xiàn)象是光線在光學性質不同的介質分界面上發(fā)生的，此時光的傳播僅限于在特定的方向上，我們沿光束的側向觀察就應當看不到光.但當光束通過光學性質不均勻的物質時，情況就不同了，從側向卻可以看到光的，這種現(xiàn)象叫做光的散射[4].比如，光線經過空氣時，空氣中有大量的氣體分子和懸浮在空氣中的一些其他微粒，這時候就有一部分光線不能照直前進了，而射向各個方向.生活中由于散射產生的現(xiàn)象非常多，比如把很暗的屋子的門開個縫，我們會看到一道光束穿過；在晴朗的清晨，茂密的樹林中，樹葉之間也常常會透過一道光柱.雖然這通常被一些中學教師用來作為證明光沿直線傳播的例子，然而需要注意的是，我們之所以可以看見那樣的光柱，是由于光在傳播過程中發(fā)生了散射的緣故.

均勻介質中散布著折射率與它們不同的其他物質的大量微粒，或者物質本身的組成粒子的不規(guī)則聚集都可以導致光學性質的不均勻.當光通過這種介質時，便會發(fā)生散射.英國著名物理學家瑞利在研究光散射的強度時得出：線度小于光波長的微粒對入射光的散射光強與波長的四次方成反比，這種散射通常稱為瑞利散射，這個關系被稱為瑞利定律[4].瑞利定律說明了散射光中短波占優(yōu)勢，由于可見光的波長按照紅橙黃綠藍靛紫的順序從780 nm逐漸減小到390 nm，所以白光散射后呈青藍色，而直接通過散射物質的光，由于缺少了短波的成分，所以顯得偏紅[4].

由物質分子密度的漲落而引起光的散射，稱為分子散射，分子散射屬瑞利散射.空氣分子直徑的大小與光的波長相比要小得多，光線照射在成群的空氣分子上時，短波的光更容易被散射.朝陽紅與夕陽紅就是因為清晨或傍晚，太陽光幾乎平行于地平面，并且穿過很厚的大氣層才能到人的眼睛.這個厚度大約是太陽在頭頂直射時大氣厚度的35倍(這正是中午時候的太陽與早晚不同的原因).原本白色的太陽光穿過厚厚的大氣層后，波長較短的藍紫光，甚至是綠光都被空氣分子散射殆盡，最后到達眼睛里的只剩下波長較長的光線，所以看到的太陽集合了散射后剩下的長波波段的光，就變成赤紅色了.此時云朵由于被陽光所照射，也呈現(xiàn)紅色，便是我們所說的朝霞和晚霞.

但是我們在觀賞美麗的紅日和彩霞時，會發(fā)現(xiàn)天空仍是藍色的，并且無論什么時間，只要是晴朗的天空，便是藍色，有時深，有時淡.從古至今天空也被人們稱作青天，以它亙古不變的藍色來比喻為官清廉.文人墨客也對藍天情有獨鐘.

蘇軾《水調歌頭·明月幾時有》[1]

明月何時有？

把酒問青天.

杜甫《絕句》[1]

兩個黃鸝鳴翠柳，

一行白鷺上青天.

李白《宣州謝脁樓餞別校書叔云》[3]

俱懷逸興壯思飛，

欲上青天攬明月.

李白《登金陵鳳凰臺》[3]

三山半落青天外，

二水中分白鷺洲.

劉禹錫《秋詞》[5]

晴空一鶴排云上，

便引詩情到碧霄.

李商隱《嫦娥》[6]

嫦娥應悔偷靈藥，

碧海青天夜夜心.

晴朗的天空呈現(xiàn)藍色正是因為光在大氣中大量的藍紫光等短波長的光散射到空中，大氣層越厚，散射的越多，所以我們會看到太陽在一天中變換顏色，而當我們避開太陽而仰望天空時，散射光便進入了我們的眼睛.這些被散射的短波光的綜合色便是蔚藍，而越是晴朗干燥的天氣，空中的水汽和塵埃就越少，對長波的散射就越弱，看上去天空也越是蔚藍.“春來江水綠如藍”，除了天空是藍色的，大江、大海也常呈現(xiàn)出藍色，這其實并不是因為反射了天空的顏色，而是大量水分子對陽光散射的結果.

蔚藍的天空充滿了神秘，曾有3位前蘇聯(lián)科學家不懼危險在1933年1月30日坐上熱氣球飛向高空，記錄下了隨著高度的增加天空顏色的變化(如表1)，但是這3位科學家卻由于飛得太高，氣球爆炸而未能幸免.這3位科學家分別是斐都新柯、納辛柯、德辛斯基.

表1　天空顏色隨距離地面高度的變化

白晝之所以是亮的，除了有陽光的照射，還要靠大氣的散射.隨著高度的增加，大氣密度越來越小，空氣對光的散射能力越來越弱，最后就是全黑了.曾經有位宇航員這樣描述太空中的天空,“太陽在高空中懸掛著，像一個金色的大圓盤，而天空卻像一面黑色的天鵝絨的幕布，那一顆顆的星星就像鑲在黑幕布上的寶石一樣，閃閃發(fā)著光”.這樣壯麗的景色也可以在月球、火星上看到，因為沒有大氣層，即使是白晝，在上面也不會看到發(fā)亮的天空.

天空也可以模擬，方法是：在裝滿水的玻璃水槽中加上幾滴牛奶，攪拌得到渾濁液，用白色燈光從一側照去，從側面觀察水溶液，可見溶液顯出像天空那樣的淡藍色，迎著光的方向觀察，便可以看到燈成紅色，如同“紅太陽 ”，而水槽中的水便如同“大氣”.

生活中發(fā)現(xiàn)，蔚藍的天空并不是總能看到，當霧氣籠罩或者黃風天或者霧霾天氣，天空便不再是平時的藍天了.實際上，早在宋朝就已有詩人描寫過這樣的景象，并成為千古名句.

秦觀《踏莎行·郴州旅舍》[1]

霧失樓臺，

月迷津渡，

桃源望斷無尋處.

濃霧里看不到樓臺，月色也朦朧，渡口也看不見，天涯望斷也看不到桃園的所在，寫出了大霧天氣里視線變差的現(xiàn)實.毛澤東主席也曾作詩描寫了這一景象.

毛澤東《漁家傲·反第一次大“圍剿”》[2]

大部分社會保障計劃都采取自愿參與的方式，可選擇度很高，美國聯(lián)邦政府會針對各州情況制定社會保障計劃，州、地方政府也可以自己制定計劃，如美國加利福尼亞州就有自己的《加利福尼亞州失業(yè)保險法》和就業(yè)服務計劃；與歐洲的“父愛主義”政策相比，美國政府承擔了提供社會福利的主要責任，但不包攬一切，而是鼓勵個人進行養(yǎng)老儲蓄和參加非營利性組織的各種保險（如醫(yī)療保險）以及向商業(yè)保險公司投保各種保險（如人壽保險）。

霧滿龍岡千嶂暗，

齊聲喚，

前頭捉了張輝瓚.

大霧天氣視線會變暗是因為當空氣中充滿水汽或者顆粒較大的塵埃時，長波段的光也開始大量被散射，所以便看不到色彩了，并且大量的光不能到達我們的眼睛，因此看什么都覺得暗淡了，云霧時的天空就呈灰白色了.但由于水汽或者塵埃的尺寸和可見光的波長相比不算很小，瑞利散射不能解釋這種較大微粒的散射，后來德國物理學家古斯塔夫·米于1908年證明較大微粒的散射取決于微粒的線度與波長的比值，因此叫做米氏散射.霧、云、日冕、膠體和金屬懸浮液的散射便屬于米氏散射.米氏散射在有些書中也叫做丁達爾散射，因為英國物理學家約翰·丁達爾 1868年發(fā)現(xiàn)白光在被懸浮于溶液中的粒子散射時，散射光呈藍色且是部分偏振的，并于1869年首先發(fā)現(xiàn)并研究了當一束光線透過膠體，從入射光的垂直方向可以觀察到膠體里出現(xiàn)的一條光亮的“通路”，這便是著名的丁達爾效應.

另外，光通過分子本身是各項同性的散射介質，振動面垂直于入射光的傳播方向，垂直于光傳播方向觀察到的散射光都是線偏振的，迎著光的傳播方向觀察到的仍然是自然光，從其他方向觀察到的散射光則是部分偏振的.

蜜蜂能夠到遠離蜂巢的地方采蜜并準確地返回自己的蜂巢，就是利用它的眼睛能夠感知光的偏振性，并配合體內的生物鐘來辨別方向.

對于分子本身是各項異性的介質，此時垂直于光的傳播方向觀察到的散射光是部分偏振光了，其偏振度可以表示為

科學家瑞利提出此現(xiàn)象為退偏振現(xiàn)象，其退偏振度表示為Δ=1-P.測量退偏振度可以判定分子的各項異性，因此也可以用來判斷分子的結構[4].

20世紀后，人們把光散射研究深入到原子、電子和準粒子層次.發(fā)現(xiàn)散射光相對于入射光在能量(即波長的改變)方面，不同的波長改變量對應不同的散射機制，因此重新將散射分為3種.將波數(shù)變化小于10-5cm-1的散射稱為瑞利散射；波數(shù)變化約為0.1 cm-1的由布里淵于1922年預言，因而稱為布里淵散射；波數(shù)變化大于0.1 cm-1的散射是拉曼于1928年首次發(fā)現(xiàn)和公布的，因此稱為拉曼散射.由于后兩者散射光相對于入射光波長(能量)沒有改變，因此被人們稱為是非彈性散射，而瑞利散射的波數(shù)差是由靶粒子反沖引起的，所以稱之為彈性散射[7].

散射有利也有害，散射給了我們藍天、白云、紅日、血月、藍海、迷霧、日冕等美麗的景色，當你看到某處的水在陽光的照射下出現(xiàn)彩色，不要只想著是不是表面浮著一層油，有可能里面有一些特定大小的雜質引起了散射.生活中可以通過制造散射條件來實現(xiàn)一些舞臺效果，李白曾作詩《望廬山瀑布》[3](其二)“日照香爐生紫煙，遙看瀑布掛前川”，點燃的香煙所冒的煙會有些發(fā)藍甚至發(fā)紫也是光線在成群的炭粒上散射的結果.焰火表演也正是這個原因.坦博拉在1815年的一次火山爆發(fā)，造成大量的火山灰彌漫在當?shù)厣峡?，使落日呈現(xiàn)出鮮艷的色彩，這種由于灰塵散射形成的落日奇景達3年之久，致使很多藝術家前去尋找靈感.但有時也會因散射導致的可見度下降而影響交通等.因此根據(jù)散射的特點，恰當?shù)乩蒙⑸鋵ΜF(xiàn)代生活是很重要的，比如，根據(jù)短波容易被散射的特點，汽車上的霧燈做成橘紅色，海上的塔燈、路上的航標燈、信號發(fā)射塔上的指示燈都采用紅色或者橘紅色；根據(jù)污染物微粒會影響光的散射，可以通過觀察天空顏色的微妙變化來判斷污染物的存在，還可以通過測定激光在大氣中的散射來測量大氣中懸浮微粒的密度和其他特性，以確定大氣的污染程度.

參 考 文 獻

1曹華.中華詩詞名句.北京：中國紡織出版社，2013.1

2周振甫.毛澤東詩詞欣賞.北京：中華書局，2010

3李永祥，宮明瑩．李白詩集．山東：濟南出版社，2014.4

4姚啟鈞.光學教程(第4版).北京：高等教育出版社，2008.6

5蕭瑞峰,彭萬?。畡⒂礤a白居易詩選評 .上海：上海古籍出版社 ，2002.16～17

6劉學楷,余恕誠.李商隱詩歌集解.北京：中華書局，1988

7張樹霖.拉曼光譜學與低維納米半導體.北京：科學出版社，2008.4

(收稿日期：2015-08-26)