下载文档原格式
米氏散射理论是一种物理学理论，用于描述两个粒子之间的相互作用。
它是由美国物理学家莫里斯·米涅斯（Morris Mitchell）在1949年提出的。
米氏散射理论是一种建立在量子力学基础上的理论，用于解释粒子之间的相互作用。
它建立在粒子间交换虚子的概念上，认为两个粒子之间的相互作用是通过交换虚子来实现的。
米氏散射理论对于解释粒子间的相互作用非常有用，并且在很多物理学领域中都有广泛的应用。
例如，它可以用来解释电子在原子核周围的运动，以及粒子加速器中粒子之间的相互作用等。
米散射(Mie scattering);又称粗粒散射”粒子尺度接近或大于入射光波长的粒子散射现象。
德国物理学家米(Gustav Mie,1868—1957)指出,其散射光强在各方向是不对称的，顺入射方向上的前向散射最强。
粒子愈大，前向散射愈强。
米散射当球形粒子的尺度与波长可比拟时，必须考虑散射粒子体内电荷的三维分布。
此散射情况下，散射粒子应考虑为由许多聚集在一起的复杂分子构成，它们在入射电磁场的作用下，形成振荡的多极子，多极子辐射的电磁波相叠加，就构成散射波。
又因为粒子尺度可与波长相比拟，所以入射波的相位在粒子上是不均匀的，造成了各子波在空间和时间上的相位差。
在子波组合产生散射波的地方，将出现相位差造成的干涉。
这些干涉取决于入射光的波长、粒子的大小、折射率及散射角。
当粒子增大时，造成散射强度变化的干涉也增大。
因此，散射光强与这些参数的关系，不象瑞利散射那样简单，而用复杂的级数表达，该级数的收敛相当缓慢。
这个关系首先由德国科学家G.米得出，故称这类散射为米散射。
它具有如下特点：①散射强度比瑞利散射大得多，散射强度随波长的变化不如瑞利散射那样剧烈。
随着尺度参数增大，散射的总能量很快增加，并最后以振动的形式趋于一定值。
②散射光强随角度变化出现许多极大值和极小值，当尺度参数增大时，极值的个数也增加。
③当尺度参数增大时，前向散射与后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大。
当尺度参数很小时，米散射结果可以简化为瑞利散射；当尺度参数很大时，它的结果又与几何光学结果一致；而在尺度参数比较适中的范围内，只有用米散射才能得到唯一正确的结果。
所以米散射计算模式能广泛地描述任何尺度参数均匀球状粒子的散射特点。
19世纪末，英国科学家瑞利首先解释了天空的蓝色：在清洁大气中，起主要散射作用的是大气气体分子的密度涨落。
分子散射的光强度和入射波长四次方成反比，因此在发生大气分子散射的日光中，紫、蓝和青色彩光比绿、黄、橙和红色彩光为强，最后综合效果使天穹呈现蓝色。
米散射（Mie scattering）; 又称“粗粒散射”。
粒子尺度接近或大于入射光波长的粒子散射现象。
德国物理学家米(Gustav Mie,1868—1957)指出, 其散射光强在各方向是不对称的,顺入射方向上的前向散射最强。
粒子愈大, 前向散射愈强。
米散射当球形粒子的尺度与波长可比拟时，必须考虑散射粒子体内电荷的三维分布。
此散射情况下，散射粒子应考虑为由许多聚集在一起的复杂分子构成，它们在入射电磁场的作用下,形成振荡的多极子,多极子辐射的电磁波相叠加，就构成散射波。
又因为粒子尺度可与波长相比拟，所以入射波的相位在粒子上是不均匀的，造成了各子波在空间和时间上的相位差。
在子波组合产生散射波的地方，将出现相位差造成的干涉。
这些干涉取决于入射光的波长、粒子的大小、折射率及散射角。
当粒子增大时，造成散射强度变化的干涉也增大。
因此，散射光强与这些参数的关系,不象瑞利散射那样简单,而用复杂的级数表达，该级数的收敛相当缓慢。
这个关系首先由德国科学家G.米得出，故称这类散射为米散射。
它具有如下特点：①散射强度比瑞利散射大得多，散射强度随波长的变化不如瑞利散射那样剧烈。
随着尺度参数增大，散射的总能量很快增加，并最后以振动的形式趋于一定值。
②散射光强随角度变化出现许多极大值和极小值，当尺度参数增大时，极值的个数也增加。
③当尺度参数增大时，前向散射与后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大。
当尺度参数很小时，米散射结果可以简化为瑞利散射；当尺度参数很大时，它的结果又与几何光学结果一致；而在尺度参数比较适中的范围内，只有用米散射才能得到唯一正确的结果。
所以米散射计算模式能广泛地描述任何尺度参数均匀球状粒子的散射特点。
19世纪末，英国科学家瑞利首先解释了天空的蓝色：在清洁大气中，起主要散射作用的是大气气体分子的密度涨落。
分子散射的光强度和入射波长四次方成反比，因此在发生大气分子散射的日光中，紫、蓝和青色彩光比绿、黄、橙和红色彩光为强，最后综合效果使天穹呈现蓝色。
小粒子mie散射理论及应用(ⅱ)Mie散射是一种物理过程，它指的是电磁波在固体表面上发生反射或折射时，其中调制度可以比周围环境变化得快得多。
基本原理是，电磁波从它发出的地方穿过一个密度不等的介质，其中有一种光集束，即反射光束，会受到介质干涉影响而出现不同的反射程度。
Mie散射受到大量的研究关注。
空中或水中的微小粒子是Mie散射理论的重要研究对象，因为这些粒子的大小介于可见光波长和波阵列介质之间，比较适宜研究Mie散射的理论和应用。
一种常见的场景是，粒子的表面层既可以反射光线，又可以吸收光线，在它们的表面发生 Mie散射。
这种反射度取决于粒子本身的大小和特性，以及不同频率和角度内发生散射的概率。
Mie散射理论还可以用于理解空中微粒子(例如气溶胶颗粒)的外观状态。
这些空气微粒是尺寸小到不可见的流动气体颗粒，介质受它们干扰，会对光照度和视野产生显著影响，甚至会影响拍摄物体的效果。
为了研究空中微粒的各种状态，其发出的光的散射强度，了解其在不同波长及其他条件下的反射度，Mie散射理论有着很重要的意义。
Mie散射也可以应用于太阳能太阳能发电技术。
通过对太阳能发电时，可以采用Mie散射研究其中的微小粒子产生的电磁场，并分析太阳发电装置捕获太阳光的效率。
除了太阳能发电技术外，Mie散射理论还可以用于构建全天空图像和遥感图像，研究不同光谱下的反射系数。
以上就是Mie散射理论及其应用的相关内容，Mie散射理论的应用非常广泛，可以用于研究物理规律，也可以应用于电力和遥感技术，以及更多领域中。
此外，该理论还有助于研究全天空反射、复杂地表反射、全球变暖和地面辐射等气候变化，同样可以用于其他天文学研究领域，帮助人们更好地了解宇宙的未知面貌。
mie散射公式摘要：1.mie 散射公式的概述2.mie 散射公式的计算方法3.mie 散射公式的应用领域正文：一、mie 散射公式的概述Mie 散射公式，全称Mie 光散射理论，是由德国物理学家Gustav Mie 在1908 年提出的一种光散射现象的理论。
Mie 散射公式主要用于描述非球形颗粒在特定波长光照射下产生的散射现象，是光散射领域中的一个重要理论基础。
二、mie 散射公式的计算方法Mie 散射公式的计算方法较为复杂，主要包括以下几个步骤：1.计算颗粒的电磁响应函数首先需要计算颗粒的电磁响应函数，该函数描述了颗粒对入射光的吸收和散射能力。
电磁响应函数可以通过颗粒的材料、形状和尺寸等因素来确定。
2.计算散射矩阵根据电磁响应函数，可以计算出颗粒的散射矩阵。
散射矩阵是一个复数矩阵，描述了颗粒在不同波长光照射下产生的散射场的分布情况。
3.计算散射场利用散射矩阵，可以计算出颗粒在不同波长光照射下产生的散射场。
散射场是入射光和颗粒相互作用后产生的光学场，可以用来描述颗粒的散射现象。
三、mie 散射公式的应用领域Mie 散射公式在多个领域有广泛的应用，主要包括：1.大气物理学Mie 散射公式可以用来研究大气中的光散射现象，如瑞利散射、米氏散射等。
这些现象对于了解大气的辐射传输特性、气候变化等方面具有重要意义。
2.生物医学Mie 散射公式在生物医学领域中也有广泛应用，例如用于研究细胞和生物组织的光散射特性。
这些研究有助于提高生物医学成像技术的分辨率和成像质量。
3.环境监测Mie 散射公式可以用于研究气溶胶颗粒的散射特性，从而提高环境监测技术的精度和准确性。
这对于了解和预防大气污染具有重要意义。
总之，Mie 散射公式作为一种描述光散射现象的理论，具有广泛的应用前景。
米氏散射理论一般光学是波动理论，也就是波粒二象性。
波粒二象性的发现者是波兰物理学家薛定谔。
1927年，他提出了新的波粒二象性——不仅可以用波动方程来描述电子的位置，还可以用一个包含时间和空间信息的波动方程来描述电子的运动。
这就是量子力学的理论基础，人们把它称为“薛定谔波动力学”。
1964年，奥地利维也纳大学的量子力学研究生保罗·狄拉克（ Paul E。
Dirac）与英国剑桥大学教授亨利·莫塞莱（ Henry Churchery）各自独立的用两种方法测量到了电子的轨道。
这是一个令人震惊的结果，因为在此之前，除了对玻尔模型的建立有所贡献外，薛定谔本人并没有做出过什么实质性的工作。
所以，电子的真实存在问题再次被提上日程。
人们认为，这是玻尔模型存在的最后证明。
1964年，美籍匈牙利科学家米尔斯（ H。
Mills）、法国科学家德布罗意（ Pierre de Broglie）、以色列科学家玻恩（ Robert von Born）因成功预言了“氢原子结构式”而共同获得诺贝尔物理学奖。
随后他们在得奖演说中提出：宇宙早期应该处于高温和高密度阶段，在那时的宇宙里产生了各种原子；随着宇宙冷却下来，各种原子都凝聚成固体。
但是，由于在最初的高温高密状态下，不同原子的凝聚是随机的，导致不同原子的振动频率相差悬殊，甚至不同原子的波长也不同，所以当时的原子结构是混沌的。
以后宇宙继续冷却，原子凝聚的条件趋向稳定，各种原子按照固定的模式排列起来，宇宙开始进入稳定的低密度阶段，从此形成我们看到的物质世界。
其实只要在一个两维空间里写上一个函数，然后再从一个二维空间里，一个复杂的公式解出，两个变量加在一起组成的一个三维坐标系，和一个四维的时间坐标系，然后再计算加速度。
那样的话，第三维就会全部消失。
现在你就已经知道了一个平面的弯曲效果。
接下来你就知道怎样来用这些三维坐标和四维的时间去表示二维的平面。
而你如果在一张纸上画一条线，它就会从右向左流向左边，你也知道怎样用这个图像去描述一个具体的运动。
米散射（Mie scattering）; 又称“粗粒散射”。
粒子尺度接近或大于入射光波长的粒子散射现象。
德国物理学家米(Gustav Mie,1868—1957)指出, 其散射光强在各方向是不对称的,顺入射方向上的前向散射最强。
粒子愈大, 前向散射愈强。
米散射当球形粒子的尺度与波长可比拟时，必须考虑散射粒子体内电荷的三维分布。
此散射情况下，散射粒子应考虑为由许多聚集在一起的复杂分子构成，它们在入射电磁场的作用下,形成振荡的多极子,多极子辐射的电磁波相叠加，就构成散射波。
又因为粒子尺度可与波长相比拟，所以入射波的相位在粒子上是不均匀的，造成了各子波在空间和时间上的相位差。
在子波组合产生散射波的地方，将出现相位差造成的干涉。
这些干涉取决于入射光的波长、粒子的大小、折射率及散射角。
当粒子增大时，造成散射强度变化的干涉也增大。
因此，散射光强与这些参数的关系,不象瑞利散射那样简单,而用复杂的级数表达，该级数的收敛相当缓慢。
这个关系首先由德国科学家G.米得出，故称这类散射为米散射。
它具有如下特点：①散射强度比瑞利散射大得多，散射强度随波长的变化不如瑞利散射那样剧烈。
随着尺度参数增大，散射的总能量很快增加，并最后以振动的形式趋于一定值。
②散射光强随角度变化出现许多极大值和极小值，当尺度参数增大时，极值的个数也增加。
③当尺度参数增大时，前向散射与后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大。
当尺度参数很小时，米散射结果可以简化为瑞利散射；当尺度参数很大时，它的结果又与几何光学结果一致；而在尺度参数比较适中的范围内，只有用米散射才能得到唯一正确的结果。
所以米散射计算模式能广泛地描述任何尺度参数均匀球状粒子的散射特点。
19世纪末，英国科学家瑞利首先解释了天空的蓝色：在清洁大气中，起主要散射作用的是大气气体分子的密度涨落。
分子散射的光强度和入射波长四次方成反比，因此在发生大气分子散射的日光中，紫、蓝和青色彩光比绿、黄、橙和红色彩光为强，最后综合效果使天穹呈现蓝色。
从而建立了瑞利散射理论。
20世纪初，德国科学家米从电磁理论出发，进一步解决了均匀球形粒子的散射问题，建立了米散射理论，又称粗粒散射理论。
质点半径与波长 接近时的散射，特点：粗粒散射与波长无关，对各波长的散射能力相同，大气较混浊时，大气中悬浮较多的的尘粒与水滴时，天空呈灰白色。
米散射理论是由麦克斯韦方程组推导出来的均质球形粒子在电磁场中对平面波散射的精确解。
一般把粒子直径与入射光波长相当的微粒子所造成的散射称为米散射。
米散射适合于任何粒子尺度,只是当粒子直径相对于波长而言很小时利用瑞利散射、很大时利用夫琅和费衍射理论就可以很方便的近似解决问题。
米散射理论最早是由G1 Mie 在研究胶体金属粒子的散射时建立的。
1908 年,米氏通过电磁波的麦克斯韦方程,解出了一个关于光散射的严格解,得出了任意直径、任意成分的均匀粒子的散射规律,这就是著名的米氏理论[4 -6 ] 。
根据米散射理论,当入射光强为I0 ,粒子周围介质中波长为λ的自然光平行入射到直径为D 的各向同性真球形粒子上时, 在散射角为θ,距离粒子r 处的散射光和散射系数分别为:从上式中可以看到,因为是各向同性的粒子,散射光强的分布和φ角无关。
同时,上式中:i1 、i2 为散射光的强度函数; s1 、s2 称为散射光的振幅函数; a 为粒子的尺寸参数( a =πD/λ) ; m = m1 +im2 为粒子相对周围介质的折射率,当虚部不为零时,表示粒子有吸收。
对于散射光的振幅函数,有:式中an 、bn 为米散射系数,其表达式为:其中:是半奇阶的第一类贝塞尔函数; 是第二类汉克尔函数; Pn (cosθ) 是第一类勒让德函数; P(1)n (cosθ) 是第一类缔合勒让德函数。
M ie 散射理论M ie 散射理论是麦克斯韦方程对处在均匀介质中的均匀颗粒在平面单色波照射下的严格数学解。
由M ie 散射知道, 距离散射体r处p点的散射光强为式中: λ为光波波长; I 0 为入射光强; I sca为散射光强; θ为散射角; ϕ为偏振光的偏振角。
式中:)(1θS 和)(2θS 是振幅函数; an 和bn 是与贝塞尔函数和汉克尔函数有关的函数; n π和n τ是连带勒让得函数的函数, 仅与散射角θ有关。
其中式中:)(αϕn 和)(αεn 分别是贝塞尔函数和第一类汉克尔函数; )(αϕ'n 和)(αε'n 是)(αϕn 和)(αεn 的导数; α为无因次直径, λπαD =, D 为颗粒的实际直径; λ是入射光的波长; m 是散射颗粒相对于周围介质的折射率, 它是一个复数, 虚部是颗粒对光的吸收的量化。
由以上公式可见,M ie 散射计算的关键是振幅函数)(1θS 和)(2θS , 它们是一个无穷求和的过程,理论上无法计算。
求解振幅函数的关键是计算an 和bn , 所以M ie 散射的计算难点是求解an 和bn 。
M ie 散射理论的数值计算通过以上分析可知, M ie 散射计算的核心是求解an 和bn , 我们编制程序也是围绕它进行编写。
在an 和bn 的表达式中)(αϕn ,)(αϕ'n,)(αεn 和)(αε'n满足下列递推关系:这些函数的初始值为;与散射角有关的)(αϕn 和)(αεn 满足下列递推公式:有了这些递推公式可以很方便地通过计算机程序求解。
但是对于n 的大小, 因为计算机不可能计算无穷个数据, 所以n 在计算之前就要被确定。
散射理论基础与Matlab 实现若散射体为均匀球体,如图1 所示,照射光为线偏振平面波,振幅为E ,光强I0 ,沿z 轴传播,其电场矢量沿x 轴振动。
散射体位于坐标原点O , P 为观测点。
散射光方向( OP 方向) 与照射光方向( z 轴) 所组成的平面称为散射面,照射光方向至散射光方向之间的夹角θ称为散射角,而x 轴至OP 在xy 平面上投影线( OP ′) 之间的夹角φ称为极化角。
观测点与散射体相距r 。
根据经典的Mie 散射理论,散射粒子的尺度参数为α = 2πa/λ,其中a 为球形粒子的半径,散射粒子相对周围介质的折射率为m = m1 +i *m2 。
则散射光垂直于散射面和平行于散射面的两个分量的振幅函数为:以上式中：J n+1/ 2 ( z ) 和Y n+1/ 2 ( z ) 分别为半整数阶的第一类,第二类贝塞尔函数。
P(1)n (cosθ) 为一阶n 次第一类缔合勒让德函数; Pn (cosθ) 为第一类勒让德函数。
在数值模拟过程中选取初始下:微粒子对光的散射和吸收是电磁波与微粒子相互作用的重要特征,而微粒对电磁辐射的吸收与散射与粒子的线度有密切关系,对于不同线度的粒子必须应用不同的散射理论。
Mie 散射理论主要用于从亚微米至微米的尺寸段;在微米以下至纳米的光散射则近似为形式更明晰简单的瑞利散射定律,散射光强烈依赖于光波长λ( I～λ- 4) ;而对大于微米至毫米的大粒子则近似为意义明确的夫朗和费衍射规律了。
Mie散射理论给出了球型粒子在远场条件下的散射场振幅an 、bn 以及粒子内部电磁场振幅cn 、dn 的计算表达式,通常称为Mie 散射系数式中m 表示微粒子外部介质的相对折射率,x =κ a ,a 为球的半径,κ= 2π/λ称为波数,μ为相对磁导率,即球的磁导率与介质磁导率的比值,j n(x)和h (1)n(x)分别为第一类虚宗量球Bessel 函数和Hankell 函数。
散射系数,消光系数及偏振状态下散射相位函数：散射截面σsca(散射率Q sca)、吸收截面σabs (吸收率Q abs)、消光截面σext (消光率Q ext)、后向散射截面σb (后向散射率Q b) 以及辐射压力σpr (辐射压力效率Q pr) 。
其表达式如下:其中i 为sca 、abs、ext 、pr 分别表示散射、吸收、消光、辐射压力。
按照能量守恒定律有:Q pr（辐射压力效率的计算公式）:Q b（后向散射系数）：这些都是无穷级数求和,在实际计算过程中必须取有限项,Bohren 和Huffman 给出了级数项最大值取舍的标准:对于单位振幅入射波经微粒散射后,其散射场振幅的大小与散射角有关,在球坐标系下,远场散射振幅的大小为:其中S1 和S2 为散射辐射电场在垂直及平行于散射面的两个偏振分量。
微球内部场振幅计算公式颗粒内部电场强度为:其中M(1)o1n和N (1)e1n为矢量波球谐函数,在球坐标系中定义如下:吸收截面Q abs具有损耗介质颗粒的吸收截面为：其中ε″是粒子相对介电常数的虚部,经整理可得:式中m n、n n为:实际上由Mie 散射理论可知,上式中的积分项为电场强度的平方对角度θ、φ全空间积分的平均值,即:于是吸收效率为:式中x ′= rk = z/ m 。
当x n 1 时即瑞利散射情况,颗粒的内部平均场强为常数,其值为:Improved Mie scattering algorithms W.J.WiscombeMie 计算存在的问题就是如何最有效地构造Mie 计算，同时保证准确性和避免数值的不稳定性和病态。
Mie 计算以耗时著称，首先无穷项级数N 的求和，例如：100m μ的水滴在0.5m μ的可见光散射情况下，大约需1260项求和。
其次，典型的计算都希望能对一系列半径（如对尺寸分布求积分）、一系列波长（如对太阳光谱求积分）及一系列折射率求和（如通过散射参量反推折射率）。
当折射率虚部m Im 很大时，用向后循环法求An 很不稳定。
而向前递推总是稳定的（但向后递推安全时，总是优先选择，因为其计算速度很快）。
得出允许向后递推的经验标准：用正确的向前地推与相对应的向后地推做比较，当发现对和g 的相对误差超过10-6时，认为计算失败。
对于一对确定的(x,m Re )，我们采用向后递推寻找第一个循环失败的研究表明：对于确定的，，的值随着x 的增加很快趋向于一个确定值。
对如果在任意角度下1S 、2S 的实部和虚部的相对误差超过510-时，认为对1S 和2S 的向后递推失败。
（而此时，sca Q ext Q 并不受影响，因为当1S ，2S 的相对误差达到510-时，sca Q ext Q 的相对误差总维持在1010-以下。
）对1S 和2S对散射强度和偏正度连分式算法总结：Mie 散射计算的核心是计算an 和bn其中ψn (α) =αJ n (α) , ξn (α) =αJ n (α) + iαY n (α) ,J n 和Y n 分别是第一和二类贝塞耳函数,α称为当量直径,α= 2πr/λ, r是球形颗粒的真实半径,λ是入射光的波长, m 为折射率式中ρ为函数任一自变量。
贝塞耳函数递推关系式：Mie 散射计算中J n 、Yn 、Dn 的计算是关键和难点。
