光散射

当一束光通过媒质时，在不同于入射光束的方向上也能见到光强的现象，称为光散射。光散射可用于生物大分子分子量的测定，用于研究分子结构与分子内部的作用力等。
光通过非均匀介质时的光散射 光束通过非均匀介质即折射率不均匀的介质时，例如混有与介质折射率不同的微粒的各种液体、气体和固体，光波的振动电场使微粒中的电子产生强迫振动成为二次波源，向各个方向发射电磁波，就是散射波。散射光的强度和从介质中各微粒发出的散射光是否发生干涉有关。当微粒的尺寸比光波的波长小得多时，如小于波长的二十分之一时，并且微粒间距离比较大时，各个微粒产生的散射光是互不干涉的，介质的总散射光强是各个散射微粒产生的散射光的加和。在这类介质中见到的散射光有下列规律：
❶散射光强度与原光束波长的四次方成反比；
❷散射光是偏振的；
❸散射光强度相对于原光束方向(AA)和垂直原光束方向之轴(BB)呈对称分布(图1)。
如果微粒尺寸与入射光波长相近时，如小胶体系统，微粒内部各部分产生的散射光波间将产生相位差，这种光将相互干涉使散射光减弱(图2)。
散射光的表现将与前者不同，通常散射光强度与入射光波长3～2次方成反比，散射光是部分偏振光，散射光的角分布是不对称的，(图3)。
散射光的偏振量及角分布与微粒大小、形状、性质和介质的性质有关。所以利用光散射现象可研究胶体系统的胶体和高分子化合物的大小、形状、性质和分散度。
光散射方法测定高分子化合物及微粒的分子量范围是104～107。光散射法所测得的分子量是重均分子量。测量样品必须是无色透明的溶液，如果溶液中混入微量尘埃就可能引起很大误差。

图1 微粒尺寸小于波长的二十分之一时散射光强度分布图

图2 微粒尺寸接近波长时、微粒内A、B两点散射光，前向相加，后向相减

图3 微粒尺寸接近波长时，光散射强度分布图。前向大于后向的

光散射法测量分子量的原理概述如下。当散射微粒尺寸小于入射光波长二十分之一时，可以按下式计算分子量。

M为微粒的分子量，C为微粒的浓度，B为一常数，

N为Avogadro常数，λ为入射光波长，n0为溶剂的拆射系数，n/C为溶液的折射系数梯度，称散射介质的瑞利比(Rayleigh ratio);r为到散射中心的距离，I为入射光强度，I₉₀为与入射光成90°角及距散射中心r处的散射光强度。
可以于不同浓度

图4 微粒尺寸小于波长二十分之一时，^HC/R90对浓度C的图

下测量R₉₀的值，然后以HC/R₉₀对浓度C作图(图4)。图呈一直线，直线的斜率为2B，在纵轴上的截距就是分子量的倒数。如果微粒尺寸比入射光波长二十分之一大时，由于散射光发生内干涉使散射光减弱，减弱程度与散射角有关，故需按下列方程式计算分子量：

R，为不同散射角的r2Iθ/I值，θ为散射角，P(θ)为散射因子，通常<1，它代表有干涉及无干涉时的散射光强度之比，其大小与分子的形状有关。
通过均匀介质时的光散射 对于完全均匀的介质如纯水、乙醇、石英、空气，其折射系数从统计意义讲是均匀介质，故光束通过这类介质时似乎不应该有散射现象发生。但是实际上即使分子运动从整体上看是均匀的介质，但在局部位置密度仍有涨落，这样形成局部区域的折射率变化，使介质的均匀性破坏，形成散射现象，这种散射称为光的分子散射。
分子散射的散射光强度与入射光波长的四次方成反比，亦即波长短的蓝光比波长长的红光更易于散射。例如白天天空呈浅蓝色，这是因为蓝光比其它光更易散射之故。在早晨及在黄昏时看到太阳呈浅红色，这是因为太阳斜射经过很厚的大气层，容易散射的蓝绿光散射掉了，最后见到的是不易散射的浅红色透射光。
由于分子的各向异性，其分子散射光是部分偏振的，所以根据分子散射光的偏振度可以研究分子的各向异性和分子结构。
光的非弹性散射 精确研究原光束的光谱和散射光的光谱，发现散射光谱中在原光谱线旁边另外出现了一些伴线，伴线有下列特点： 每一伴线是跟随着原光谱中的某一条谱线的； 伴线的频率v₁和原光谱线的频率v₀之频率差△v反映了散射微粒的某些分子特性；
❸伴线都由二条谱线构成，对称地分布于原谱线的两旁。频率小于原谱线的称为红伴线vr，频率大于原谱线的称紫伴线vv。伴线与原谱线有如下关系： v0-vr=vv-v0;
❹通常紫伴线的光强度比红伴线弱，而随着温度升高紫伴线的光强度会迅速加强。
这种散射伴线即是非弹性散射，它是由原子谱线的频率v0及分子内部的固有振动频率△v（通常属于红外光谱范围的振动）并合而成的，所以又称为并合散射。
非弹性散射现象为研究分子结构提供了重要依据。这个方法又称拉曼光谱，用它可以迅速简便地测出分子振动的固有频率，也可以用来判断分子的对称性，分子内部力的大小和分子动力学性质。作为分子光谱的一个重要部分，它成功地补充了红外光谱方法。它可以进行复杂分子（有机化合物）的混合物分析。最近应用激光为光源发展成激光拉曼光谱，使这个方法有了更大的改进和应用(见“激光拉曼光谱”条)。