【綜述】一文說清楚光的反射、折射、透射、散射、衍射、干涉等現(xiàn)象

反射：光“彈”回去了

定義：當(dāng)光（或波）碰到物體表面，部分或全部被“彈回來”，這叫反射。

舉例：

鏡子反光，是因為光線被鏡子反射了；

水面像鏡子一樣，也是一種反射；

雷達(dá)測距靠的也是電磁波反射回來。

關(guān)鍵點：入射角 = 反射角，路徑是“回頭”的。

折射：光“彎”了過去

定義：光（或波）從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時，方向發(fā)生變化，叫折射。

舉例：

筷子插進(jìn)水里看起來“彎了”，是折射；

眼鏡改變光的路徑，也是折射；

彩虹的形成是因為水滴對陽光折射+ 反射。

關(guān)鍵點：速度變了，方向就偏了。

透射：光“穿”過去了

定義：當(dāng)光直接通過一個物體，沒有被吸收、散射、反射掉的那部分，叫透射。

舉例：

陽光穿過窗戶，玻璃對光有透射；

X射線穿過皮膚照骨頭，是透射；

光透過鏡片才能成像，也是透射。

關(guān)鍵點：穿過去不等于不改變方向，折射+透射常一起出現(xiàn)。

散射：光“亂彈”開了

定義：當(dāng)光（或波）遇到不規(guī)則結(jié)構(gòu)（顆粒、分子），被隨機“打散”到各個方向，這叫散射。

舉例：

天空是藍(lán)色，是因為陽光中的藍(lán)光被大氣分子散射最厲害；

白云是白的，是因為水滴把光全波段都散射了；

聚合物研究用SAXS（小角X射線散射）測微觀結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵點：方向變亂了、不是按角度反彈，是被“擊碎”一樣到處跑。

衍射：光“繞”過去了

定義：波遇到障礙物或狹縫時，會“繞開去”，形成擴(kuò)散或干涉花紋，這叫衍射。

舉例：

聲音能繞過門縫，是聲音波的衍射；

光經(jīng)過細(xì)縫形成花紋，是光的衍射；

X射線衍射（XRD）測晶體結(jié)構(gòu)，就是利用這個。

關(guān)鍵點：波“轉(zhuǎn)彎”通過細(xì)縫，產(chǎn)生圖案。

吸收：光“被吃掉”了

定義：光的能量被物質(zhì)“吃掉了”，變成了熱、電子激發(fā)等能量形式，這叫吸收。

舉例：

黑衣服比白衣服吸熱，是因為它吸收更多光；

紫外光照射皮膚會被吸收，產(chǎn)生曬傷；

紅外光吸收光譜，用來分析材料成分。

關(guān)鍵點：光不再“出來”，能量變形了。

發(fā)射：光“釋放”出來了

定義：物質(zhì)吸收了能量后再釋放出來，比如發(fā)光、釋放粒子，這叫發(fā)射。

舉例：

螢火蟲發(fā)光是生物發(fā)射；

氣體放電管發(fā)出紅色或藍(lán)色光；

熒光材料吸收紫外、發(fā)射可見光。

關(guān)鍵點：先吸后放，放出來才叫發(fā)射。

干涉：光“疊加“相遇了

光的干涉：是波動光學(xué)中的核心現(xiàn)象，由光波的波動性引起。當(dāng)兩束光波在空間某點相遇時，它們的波幅相互疊加，形成明暗相間的干涉條紋。

基本原理：

相干性：需滿足頻率、振幅、相位一致的條件，才能形成穩(wěn)定的干涉圖樣。

光程差：由于傳播路徑不同導(dǎo)致的光波相位差異，是干涉現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。

現(xiàn)象表現(xiàn)：

構(gòu)造性干涉：光強增強，形成亮條紋（如雙縫干涉）。

破壞性干涉：光強減弱，形成暗條紋。

舉例：

肥皂泡干涉條紋：當(dāng)陽光照射到肥皂泡表面時，光在薄膜上下表面反射后發(fā)生干涉，形成彩色條紋。這是薄膜干涉的典型現(xiàn)象，因反射光存在半波損失（相位變化π），導(dǎo)致明暗相間。

對比總結(jié)表：

生活中的綜合體現(xiàn)：

晴朗的天空呈藍(lán)色：陽光中的短波藍(lán)光被大氣分子散射到各個方向。水面既能映出倒影（反射），又能看到水下物體（透射），若水中有雜質(zhì)，還會發(fā)生散射，導(dǎo)致看不清。

簡而言之，三者是光與物體作用的不同結(jié)果，共同決定了我們對物體的視覺感知。

補充問題1：反射是否包含散射？散射是否包含反射？

反射和散射是兩種不同的光學(xué)現(xiàn)象，彼此不存在包含關(guān)系，它們的本質(zhì)區(qū)別如下：

反射與散射的核心差異

1. 反射的特點

方向規(guī)律性強：光沿特定角度反射（遵循反射定律，即入射角等于反射角），如鏡面反射。

物體表面要求：光滑表面更易發(fā)生規(guī)則反射（如鏡子、金屬）。

2. 散射的特點

方向無規(guī)律性：光被分散到各個方向，無固定角度，如陽光被云層、塵埃散射。

物體結(jié)構(gòu)影響：粗糙表面、顆粒狀介質(zhì)（如磨砂玻璃、霧）或微小粒子（如大氣分子）易引發(fā)散射。

為何容易混淆？

漫反射的誤導(dǎo)性：當(dāng)物體表面粗糙時，光會發(fā)生“漫反射”，看似向多個方向散射，但本質(zhì)仍屬于反射——每個微小表面單元仍遵循反射定律，只是整體方向因表面不規(guī)則而分散。

（例：白紙表面看似“散射”光線，實則是無數(shù)微小平面的反射，整體表現(xiàn)為漫反射。）

散射的隨機性更強：散射的光方向完全取決于介質(zhì)結(jié)構(gòu)（如粒子大小、分布），而反射（包括漫反射）的方向仍與入射角度相關(guān)。

結(jié)論

反射和散射是獨立的光學(xué)現(xiàn)象：

反射的核心是“方向規(guī)律性反彈”，散射的核心是“無規(guī)則方向分散”。

兩者可能在同一物體上同時發(fā)生（如粗糙物體既漫反射又散射），但概念上互不包含。

補充問題2:完全漫反射體概念上會發(fā)生散射嗎

在光學(xué)概念中，完全漫反射體不會發(fā)生散射，二者的本質(zhì)區(qū)別如下：

完全漫反射體的定義與特性定義：指表面粗糙至極，能將入射光向所有方向均勻反射的理想物體（如硫酸鋇涂層，氧化鎂涂層等）。

核心特點：

反射光遵循漫反射規(guī)律：每個微小表面單元仍滿足“入射角=反射角”，但因表面不規(guī)則，整體反射光向各方向分散。

反射過程中光的傳播方向改變，但光子能量、波長等屬性不變，且反射方向仍與入射方向相關(guān)（基于表面微元的法線方向）。

散射與漫反射的本質(zhì)區(qū)別

作用機制：

漫反射--光在物體表面因粗糙結(jié)構(gòu)發(fā)生方向分散

散射--光在物體內(nèi)部或介質(zhì)中被粒子/結(jié)構(gòu)干擾而改變方向

方向規(guī)律性：

漫反射--基于表面微元的反射定律，有統(tǒng)計規(guī)律

散射--無固定規(guī)律，完全隨機 

是否涉及介質(zhì)內(nèi)部：

漫反射--僅發(fā)生在表面

散射--可發(fā)生在介質(zhì)內(nèi)部（如空氣、水、云層） 

能量與波長變化：

漫反射--通常無變化

散射--可能伴隨能量吸收或波長改變（如拉曼散射）

為何完全漫反射體不涉及散射？

漫反射的光僅在物體表面發(fā)生方向改變，未進(jìn)入物體內(nèi)部；而散射需要光與介質(zhì)內(nèi)部的粒子或結(jié)構(gòu)相互作用（如穿過云層時被水滴散射）。

理想模型中，完全漫反射體不考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)對光的影響，僅關(guān)注表面的反射行為，因此不存在“散射”過程。

結(jié)束語：我們一起學(xué)習(xí)，閱讀其過程中更進(jìn)一步。