01-1 光散射技术介绍 2013
光的散射与光散射光栅 (2)
光的散射应用：光纤通信、激光雷 达、医学成像等领域。
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光的散射类型：瑞利散射、米氏散 射、拉曼散射等。
光的散射原理：光子与物质相互作 用，导致光子能量和动量发生变化， 从而改变光的传播方向。
散射的分类
瑞利散射：光波长与散射粒子尺寸相近时的散射现象 米氏散射：光波长远大于散射粒子尺寸时的散射现象 拉曼散射：光波长与散射粒子振动频率相近时的散射现象 布里渊散射：光波长与散射粒子内部结构尺寸相近时的散射现象
制作成本与效益分析
材料成本： 包括光栅 材料、加 工设备、 辅助材料 等
劳动力成 本：包括 研发人员、 生产人员、 管理人员 等
生产效率： 光栅的生 产效率直 接影响到 生产成本 和效益
市场需求： 光栅的市 场需求直 接影响到 生产成本 和效益
技术进步： 新技术的 应用可以 降低生产 成本，提 高生产效 益
光散射光栅的结构包括多个 平行的狭缝，这些狭缝可以
使光发生衍射
光散射光栅的应用广泛，包 括光学仪器、光纤通信、激
光技术等领域
光散射光栅的结构
光散射光栅由多个光栅单元组成，每个光栅单元都是一个独立的光学系统。
光栅单元之间通过光学耦合器连接，形成光散射光栅的整体结构。
光散射光栅的每个光栅单元都可以独立调整，以实现对光的散射特性的精确控制。
光散射光栅的研究趋势与展望
光散射光栅在光学领域的应用越来越广泛 光散射光栅的研究方向包括提高光效、降低损耗、增强稳定性等 光散射光栅在生物医学、环境监测、国防科技等领域具有广阔的应用前景 光散射光栅的研究需要与相关学科交叉融合，如纳米技术、材料科学等
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汇报人：
光散射技术简介
光散射技术简介光散射技术简介光散射技术是近年发展起来的一项简便、灵敏、快速的分析技术,其分析测定在一台普通的荧光光度计上就可加以实现。
由于这种技术在研究大分子识别组装和聚集时呈现出灵敏而丰富的信号，已广泛应用于大分子的定量分析。
光散射是指一束光线通过介质时在入射光以外的方向上观测到光辐射的现象，它源于光电磁波的电场振动而导致的分子中电子产生的受迫振动所形成的偶极振子。
根据电磁理论，振动着的偶极振子是一个二次波源，它向各个方向发射的电磁波就是散射波。
光散与介质的不均匀性有关，除了真空之外的其它所有介质都有一定程度的不均匀性，从而产生散射光，只是由于介质中粒子大小不同，产生不同种类的散射。
（一）光散射现象的产生分子在吸收能量较低的光子之后并不足以使分子中电子跃迁到电子激发态，而只使电子激发至基态中较高的振动能级。
在较短的时间里(约10-12S)，电子将返回原来的能级，如果介质中粒子很小，便产生以瑞利散射为主的分子散射。
根据入射光与散射光波长的不同可以分为弹性光散射、非弹性光散射、准弹性光散射。
瑞利散射是散射波长等于入射波长的弹性散射，在远离分子吸收带、各向同性的均匀介质中，散射光强度与入射光波长的4次方成反比。
当分子在返回基态时并没有返回至原来的能级，而返回到稍高的或稍低的能级，引起的散射光称为拉曼光。
瑞利散射光和拉曼光对荧光分析有显著的影响，因而常常成为荧光分析方法灵敏度的主要限定因素。
当入射光波长接近于分子的吸收带时，即散射光频率接近或等于散射分子电子吸收的频率时，瑞利散射将偏离瑞利定律，且某些波长的强度将急剧提高，这种现象称为共振瑞利散射或共振光散射。
共振光散射比普通的瑞利散射更灵敏，能提供更丰富的信息量。
（二）共振光散射用于分析测定的原理在普通的荧光分光光度计上选择合适的激发和发射通带宽度，以λex=λem同步扫描，即得共振光散射光谱。
在共振瑞利散射峰处，测量体系的散射光强度(I)和试剂空白溶液的散射光强度(I0)，则加入待测物后体系散射光的增强程度为ΔI=I-I0，据待测物浓度和ΔI间的线性关系可进行待测物的定量测定。
光散射
光散射1光散射产生的机理如果媒质的均匀性遭到破坏，即尺度达到波长数量级的邻近媒质小块之间在光学性质上（如折射率）有较大差异，在光波作用下，它们将成为强度差别较大的次波源，而且从它们到空间各点已有不可忽略的光程差，这些次波相干叠加的结果，光场中的强度分布将与上述均匀媒质情形有所不同，这时，除了按几何光学规律传播的光线外，其他方向或多或少也有光线存有，这就是散射光，即产生了散射。
对于不均匀形态较大的媒质，光散射也可看作是反射和折射的综合结果。
散射光强除了与入射光的波长、散射角相关外，还与散射体材料的折射率（N）和机体材料的折射率相关。
目前，关于散射光强的计算理论，发展还不十分完善。
计算散射光强，最简单的近似理论为Rayleigh-Gans-Debye(RGD)理论。
对于半径较大或折射率较大的粒子，要用Mie理论来计算光强。
如果粒子达到Mie理论不适用时，就要用传统的射线光学来处理。
下面的公式可以用于聚合物光散射材料散射光强的近似计算：Iv=KI0R3π3λ0-4(n2B-n2)［1+（8/3）2R2υ2sin2(θ/2)］-2式中，K为常数，υ=2π/λ，λ为光在介质中的波长，λ0为光在真空中的波长，θ为光散射角，n是介质的平均折射率：n=nAVA+nBVB。
2光散射材料的分类根据散射机理的不同可以将光散射材料分为：面散射材料和体散射材料。
传统的光散射材料大多为面散射材料，采用面散射机理，即将透明板材或其它形状制品的一个表面(一般为内表面)打磨，涂层或将其成型模具的相对应面做喷砂或刻痕处理，利用它们粗糙的表面来产生光散射。
这种材料的一个显著缺点是：它不能较好地兼顾材料的光散射性和透明性，综合性能较差。
因而大大限制了它的应用范围。
体散射材料多为分散有光散射体的透明合成材料，起散射作用的散射体的尺寸等于或大于可见光波长。
这种材料应用了整体散射机理：即材料的内部与表面均起散射作用，能够很好地克服面散射所固有的弱点，制品具有高的光散射性，较好的透明性及优异的综合性能。
光散射
2. 特征
通常，纯净介质中由于分子热运动产生的密度起伏所 引起折射率不均匀区域的线度比可见光波长小得多，所以 分子散射中，散射光强与散射角的关系与瑞利散射相同。 例如，理想气体对自然光的分子散射光强为
2π (n 1) 2 I ( ) I i (1 cos ) 2 4 r N 0
如果如图 6-16(a) 所示，当用单色性较高的准单色光源
照射某种气体、液体或透明晶体，在入射光的垂直方向上用 光谱仪摄取散射光，就会观察到喇曼散射。
观察喇曼散射的实验装置示意图
2. 特征
① 在每一条原始的入射光谱线旁边都伴有散射线，长波 长方向的散射线称为红伴线或斯托克斯线，短波长方向上的
散射线称为紫伴线或反斯托克斯线，它们和原始光的频率差
② 这些频率差与入射光波长无关，只与散射介质有关。
③ 每种散射介质有它自己的一套频率差 1=0 1，
2=0 2，3=0 3， ，其中有些和红外吸收的频率 相等，它们表征了散射介质的分子振动频率。
从经典电磁理论的观点看，分子在光的作用下发生极 化，极化率的大小因分子热运动产生变化，引起介质折射 率的起伏，使光学均匀性受到破坏，从而产生光的散射。 由于散射光的频率是入射光频率0 和分子振动固有频 设入射光电场为 E =E0cos(20t ) P = 0 E
④ 当散射粒子线度与光波长相近时，散射光强度对于光矢 量振动平面的对称性被破坏，随着悬浮微粒线度的增大，沿 入射光方向的散射光强将大于逆入射光方向的散射光强。 微粒线度约为 1/4 波长时，散射光强角分布如图(a)示， 此时I()在 = 0和 = 处的差别尚不很明显。当微粒线度
继续增大时，在 = 0方向的散射光强明显占优势，并产生一
，所以散射光的频率也有三种。 频率为0 的谱线为瑞利散射线；
8.4光的散射
(4) 散射与衍射的区别
衍射对应于介质表面或体内个别几何线度与波长 相当的非均匀区域，散射对应于大量排列无规则且几 何线度略小于波长的非均匀区域的集合。
③ 对于足够大的粒子，散射光强基本上与波长无关， 此时的散射称为大粒子散射，可看作是米氏散射的 极限状态。
散
射瑞 光利 强区
米氏区
0
2
4
6
8
10 a/l
图7.3-4 瑞利散射和米氏散射
4 拉曼散射与布里渊散射 (1) 拉曼的实验结果（1928） 拉曼实验：观察到频率发生改变的散射现象
入射光频率：n 0 散射光频率：n 0 , n 0±n 1 , n 0±n 2 , ···
(4) 布里渊散射 布里渊散射：入射光子与声学声子相互作用过程产生的 散射现象
声学声子：分子的一些处于声频量级的较低固有频率
布里渊散射的特点：所产生的散射光子的频移要比拉 曼散射小很多
说明：
由于散射光的频率是入射光的频率与散射分子固 有频率联合而成，故拉曼散射又称为联合散射。
拉曼散射或布里渊散射中，一个光子每次只能与 一个声子交换能量，故散射光子的频率改变量取 一些分立值，这个值正好对应着散射分子的某个 固有频率。利用拉曼散射或布里渊散射可以研究 物质的结构特性，并且也可以此作为原理制作出 大范围的分布式光纤温度传感器。
要求散射微粒的线度小于光波波长，当散射微粒 的线度接近或大于波长时，如高空中云层的散射， 瑞利散射定律将不再适用。
光散射畴壁
光散射畴壁光散射是指光与物质相互作用后，发生随机改变方向的现象。
在自然界中，我们常见到雾、云、烟尘、尘埃等物质使得我们能够看到散射的光线。
光散射在科学研究、大气物理学、地球科学、医学等领域都有重要的应用。
本文将讨论光散射的基本原理、分类、应用以及相关研究内容。
首先，我们需要理解光散射的基本原理。
光散射是由于光遇到物质时，原来的光线被物质的微观结构所散射而产生的现象。
光散射的过程可以分为弹性散射和非弹性散射。
在弹性散射中，入射光的频率和能量不变，只是方向发生了改变。
而在非弹性散射中，光子的能量和频率发生了变化。
光散射可以根据散射体的尺寸与光波波长的比值来进行分类。
当散射体的尺寸远大于光波波长时，称为Rayleigh散射。
这种散射发生在大气中的气溶胶颗粒上，如雾、云、烟尘等。
当散射体的尺寸与光波波长相近时，称为Mie散射。
这种散射可以解释小颗粒或大分子对光的散射现象，广泛应用于气溶胶测量、生物体内部结构的成像等领域。
当散射体的尺寸远小于光波波长时，称为几何光学散射。
这种散射常出现在多孔介质中，如砂石、液体中的悬浮物等不透明材料。
在大气物理学中，光散射的研究能够帮助我们了解大气中的气溶胶浓度、粒径分布、光学属性等。
利用激光雷达等设备，可以进行大气污染监测、气象预报、烟雾探测等应用。
在地球科学中，光散射的研究有助于我们了解大气、海洋和地表等介质的物理性质。
通过测量光散射，可以研究大气污染对气候变化的影响、海洋中的生物量分布等。
在医学应用中，光散射可以用于生物组织的成像和诊断。
光斑散射成像、激光共焦显微等技术使得医生能够更加清晰地观察到组织细胞的形态和结构。
当前，相关研究正不断深入发展。
光散射技术的改进已经推动了多个领域的发展。
例如，在空气质量监测方面，光散射技术通过激光雷达等设备可以实时监测大气中的颗粒物浓度和粒径分布，为环境保护和健康预警提供了重要依据。
此外，光散射在纳米颗粒的研究中也发挥了重要作用。
散射前后光的波长或光子能量课件
波长通常由光谱仪或干涉仪进行测量。 光谱仪通过测量不同波长的光的强度 来得到波长，而干涉仪则是通过测量 光的干涉条纹来得到波长。
散射前后光子能量的变化
光子能量守恒
在散射过程中，光子的能量是守恒的，不会发生改变。
光子能量变化与散射角
散射角的大小会影响光子的能量分布。散射角越大，光子的能量分布越广，反之则越窄。
散射前后光的波长或光子能量 课件
CONTENTS
• 引言 • 基础知识 • 散射前后的光子能量与波长变
化 • 实验研究与结果分析 • 结论与展望 • 参考文献
01
引言
背景介 绍
散射光是一种常见的光学现象，在自然界和日常生活中广泛 存在。例如，阳光照射到大气层中的颗粒或分子时，会产生 散射现象，使得天空呈现出蓝色或白色。
对后续研究的建议和展望
我们建议后续研究能够继 续深入探讨光子晶体光纤 的散射特性，特别是在复 杂结构中的散射特性。
此外，我们建议进一步开 展光子晶体光纤中光子能 量的动态调控机制的研究， 以揭示其内在规律并提高 调控效率和范围。
我们期望通过这些研究， 能够为光子晶体光纤在光 学和光电子领域的应用提 供更为丰富和深入的理论 和实践支持。
散射前后波长的变化
波长守恒
在散射过程中，光的波长也是守 恒的，不会发生改变。
波长变化与散射角
散射角的大小不会影响光的波长。 无论散射角大小如何，光的波长 始终保持不变。
04
实验研究与结果分析
实验装置与方法介绍
实验目的
研究散射前后光的波长或 光子能量的变化，探索光 与物质之间的相互作用机制。
实验装置
常见的散射现象及其应用
瑞利散射
在晴朗的天气中，阳光经过大气层时发生瑞利散射，使得天空呈现出蓝色。这种散射现象 也可以解释为什么在日落时，天空会变成红色。
光的散射与拉曼效应
光的散射与拉曼效应光是一种电磁波，它在空气中传播时经常会发生散射现象。
散射是光线在遇到微观颗粒或分子时改变传播方向的过程。
而拉曼效应则是光与物质相互作用时，光波发生频率和能量的改变。
这两种现象起初似乎相互无关，但事实上它们之间存在着一定的联系。
首先，让我们先来了解一下光的散射现象。
光在传播过程中，当遇到气体、液体或固体中微小分子或颗粒时，便会发生散射。
散射的过程中，光线会改变原本的传播方向，并通过多次散射形成分散的光束。
光的散射与物体的大小和颗粒的浓度有关。
当物体的尺寸远远大于光的波长时，散射现象几乎不会发生。
而当物体的尺寸接近或小于光的波长时，光就会被散射出去，从而产生可见的光散射现象。
光的散射现象在日常生活中也很容易观察到，比如，在晴朗的天空中，我们可以看到散射光使天空呈现蓝色。
这是因为当太阳光透过大气层时，会与气体分子发生散射。
而气体分子对不同波长的光有不同的散射效应，而蓝色光的波长比较短，被散射得更强烈，所以我们看到的天空是蓝色的。
此外，夕阳的红色更为明显，是因为夕阳的光经过较长的传播距离后，大部分蓝光已经散射消失了，只有红光较强烈的情况下才能到达我们的眼睛。
接下来，让我们探讨一下拉曼效应。
拉曼效应是由印度籍物理学家拉曼在1928年发现的一种光与物质相互作用的现象。
它是指当光线与物质相互作用后，光波的频率和能量发生变化。
具体来说，拉曼效应主要表现为散射光的频率发生了位移，而且位移的大小与物质相互作用的类型和分子的结构有关。
拉曼效应的物理机制可以通过分析分子的振动行为来解释。
当光与物质相互作用时，光的能量可以激发物质内部的分子振动。
这种分子振动会导致散射光的频率发生变化，其中一部分光会发生频移，称为斯托克斯散射；而另一部分光则发生频率上升，称为反斯托克斯散射。
斯托克斯散射和反斯托克斯散射的频移量取决于物质的分子振动频率。
拉曼效应在科学研究和实际应用中有着广泛的应用。
从科学角度来看，拉曼效应提供了一种非常有效的手段来研究物质的结构和振动行为。
第一章： 光散射技术介绍 (Introduction to Light Scattering) 2019
24
单机模式—数据分析
1. 根据光散射方程，采 用全盘拟合技术 (global fit)计算： M ， rg，A2.
2. 利用Zimm图评价数 据拟合效果。
Weight average molar mass Z-average rms radius Second virial coefficient A2
2
P
分子间干涉现象导致散射光强度随散射角度的增加而减小。
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12
光散射如何测定分子尺寸 Rg
为了计算散射光角度变化分布，需计 算伸展粒子中各散射中心相位的变化
P 1 16 2n02
3
什么是光散射 ?
实验室中…
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4
光散射可以测定哪些物理量?
在溶液体系下，光散射可以测定以下物理量:
• 摩尔质量，M • 分子尺寸， rg • 第二维利系数， A2 • 平移扩散系数， Dt
- 从而计算流体力学半径，rh
vliquid
v vacuum n
在溶液中，极化率可以用折射率增量来表示， dn/dc.
Escattered
dn dc
I scattered
dn dc
2
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8
光的叠加
• 非相干光叠加 I total E1 2 E2 2
RI LS
光散射
A plot of [KcR(q)]1/2 against q2 linear curves over a wide range
Berry plot
The curves can better be described by the DebyeBueche approximation Kc/R(q) = (1+1/6 u2)2/Mw
➢ Ford，Benedek和Cummins等分别1960’年将光学混频技术首先成功地 用于测定这种已被展宽但仍很窄的中心成分，随后动态光散射迅速发 展。
➢ 1972年Pecora和1974年Chu先后撰写了有关专著，因而从理论到实验 技术上逐渐形成了较完整的动态光散射技术在物理、化学、生物、医 学等领域探讨亚微观世界自然规律中发挥了重要作用。
Dynamic Light Scattering
• autocorrelation function
The physical meaning of the computation of the ACF is that, since the measurement at time t+τoccurs right after the measurement at time t, the signal or information contained in the measured values of x(t) from these two measurements should be somehow related (correlated) if is τsmall.
Polymer : 5x103 - 107 g/mol Particles : 2 - 2000 nm
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• 分子尺寸， rg • 第二维利系数， A2 • 平移扩散系数， Dt - 从而计算流体力学半径，rh
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6
光及其性质
光是由振动的磁场和电场组成
Z E Y
H
X
• 极化率: 方向为电场方向
dn dc
2
n0 – 溶剂绝对折射率 NA – Avogadro常数 λ0 – 入射光在真空中波长 dn/dc - 绝对折射率增量
M – 摩尔质量
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19
术语定义 2
27
在线浓度检测器法获取 Zimm Plot （BSA）
RI LS
Mw: 66.2 kDa A2: 1.142 x 10-4 mol mL/g2
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28
未分离样品的测定
可测定物理量: 1. Weight-averaged molar mass:
2
主要内容
• 光散射及其用途 • 物理背景 • 理论
• 试验
校正（Calibration） 归一化（Normalization） • 数据分析
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3
什么是光散射?
自然界中…
蓝色天空和云彩
日落与晚霞
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4
什么是光散射 ?
实验室中…
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5
光散射可以测定哪些物理量?
在溶液体系下，光散射可以测定以下物理量:
10
光散射法如何测定摩尔质量
相干光: 2 2 I total E E 4 E2
非相干光: 2 2 I total E E 2 E2
2
2
dn I scattered Mc dc
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Weight average molar mass Z-average rms radius Second virial coefficient A2
(2.019 ± 0.001) e+5 g/mol 16.7 ± 0.1 nm (4.100 ± 0.010) e-4 mol mL/g²
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2. z-averaged root mean square radius:
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29
接下来 …
• 稍后 →
• Zimm图理论与实例解析； • 实测数据处理练习；
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观测角为的散射光
分子间干涉现象导致散射光强度 随散射角度的增加而减小。
dn I scattered Mc P dc
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2
13
光散射如何测定分子尺寸 Rg
R(q)
No interaction Repulsive interaction Concentration
A2 > 0
Merit模式的光散射图（ LS-FOM ）测定任一非理想状态下的相互作用对 散射光的贡献程度。
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试验 2: Normalization
为什么要归一化?
• 每一光电二极管其灵敏度不 同； • 每一角度观测的散射体积并 不相同；
22
如何归一化?
1. 使用流动相配制各向同性的高分子，并注入至流通池中。 2. ASTRA 计算每一角度的电压值，其目的： a. 从溶剂折射率确定折射角； b. 确定散射角和散射体积并加以修正； c. 建立其它角度与90°检测角之间的关系；
为了计算散射光角度变化分布，需计 算伸展粒子中各散射中心相位的变化
2 16 2 n0 2 2 P 1 sin rg ... 2 30 2
半径中融入质量分布：
2 r i mi
rg2
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R K McP 1 2 A2 McP
c – 溶质浓度(g/ml)
P() – 形状因子或 “散射函数”。 P() 是散射光角度变化与 粒子半径rg 关系的函数。 粒子半径rg越大，角度变化量越大。 定义 =0°时，P() = 1。
A2 – 第二维利系数，表征溶质分子与溶剂分子相互作 用。若该值为正，表明为良溶剂。
24
联机模式 – 数据分析
1. 利用角度拟合数据计算M ， rg 2. 利用Debye评价拟合效果。
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25
单机模式 —数据收集
C5 C4 C3
C2 solvent scattering + detector offset C1
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光散射基本方程
在Rayleigh-Gans-Debyet理论局限性下, 光散射两大原理 融入以下方程中：
该方程中还包含了浓度修正项：修正分子间相干光干 涉效应的影响；其中还包含了第二维利系数信息。
1
Introduction to Light Scattering
Light Scattering University
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20
第二维利系数 A2
R K McP 1 2 A2 McP
LS-FOM
Attractive interaction
A2 < 0
LS-FOM A2 = 0
8
折射率 n
极化率直接与物质的折射率有关 . 折射率的计算方法如下.
v vacuum v liquid n
在溶液中，极化率可以用折射率增量来表示， dn/dc.
dn Escattered dc
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21
试验 1: Calibration
为什么需要校正? 光电二极管输出电压正比于 散射光强度。该电压值必须 转化为光强度单位。
如何校正? 1. 将过滤(0.02 μm)的甲苯注入流通池中； 2. ASTRA软件自动计算 90° 光电二极管在激光光源开启和关闭 状态下的输出电压值。 3. ASTRA 根据以上测量值自动计算仪器常数。
• 光强度: I E
2
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7
光散射是如何产生 ?
当光与物质接触时，物质中电荷被迫振动，产生偶极。
物质中电荷振动产生散射光. 物质的极化率决定了散射光强度
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M
14
分子尺寸 Rg解析
空心球:
rg2 a 2
rg2
2 r i mi
M
2 3 2 r 实心球: g 5 a
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15
摩尔质量与均方根半径
rg < 10 nm
各向同性散射体
rg > 10 nm
dn I scattered dc
2
9
光的叠加
• 非相干光叠加
I total E1 E2 I1 I 2
2 2
• 相干光叠加
I total E1 E2
2 2 2
• 干涉:
E1 E2 cross terms I1 I 2
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