散射

散射是物理学中用来描述范围广泛的物理过程的一个术语，在这些物理过程中，运动粒子或某种形式的辐射，如光或声音，由于局部不均匀性（包括粒子和辐射）而被迫偏离直线轨迹 它们通过的介质。 在常规使用中，这还包括反射辐射与反射定律预测的角度的偏差。 经历散射的辐射反射通常称为漫反射，未散射的反射称为镜面（镜面）反射。 最初，该术语仅限于光散射（至少可以追溯到 17 世纪的艾萨克·牛顿）。 随着更多类似射线的现象被发现，散射的概念被扩展到它们，因此 William Herschel 在 1800 年可以指代热射线的散射（当时在自然界中未被认为是电磁的）。 John Tyndall，光散射先驱 研究，注意到 1870 年代光散射和声散射之间的联系。 接近 19 世纪末，人们观察并讨论了阴极射线（电子束）和 X 射线的散射。 随着亚原子粒子的发现（例如 Ernest Rutherford 在 1911 年）和 20 世纪量子理论的发展，该术语的含义变得更加广泛，因为人们认识到光散射中使用的相同数学框架可以应用于许多其他领域 现象。

散射可以指分子、原子、电子、光子和其他粒子之间粒子与粒子碰撞的结果。 例子包括：地球上层大气中的宇宙射线散射； 粒子加速器内的粒子碰撞； 荧光灯中气体原子的电子散射； 和核反应堆内的中子散射。

可能导致散射的不均匀性类型，有时称为散射体或散射中心，数量太多无法一一列举，但一小部分样品包括颗粒、气泡、液滴、流体中的密度波动、多晶固体中的微晶、单晶固体中的缺陷 、表面粗糙度、生物体中的细胞以及衣服中的纺织纤维。 这些特征对几乎任何类型的传播波或移动粒子路径的影响都可以在散射理论的框架内进行描述。

散射和散射理论具有重要意义的一些领域包括雷达传感、医学超声、半导体晶圆检测、聚合过程监控、声学瓦片、自由空间通信和计算机生成图像。 粒子-粒子散射理论在粒子物理学、原子、分子和光学物理学、核物理学和天体物理学等领域具有重要意义。 在粒子物理学中，散射矩阵或 S 矩阵描述了基本粒子的量子相互作用和散射，由约翰·阿奇博尔德·惠勒和沃纳·海森堡引入和发展。

散射使用许多不同的概念进行量化，包括散射截面 (σ)、衰减系数、双向散射分布函数 (BSDF)、S 矩阵和平均自由程。

当辐射仅被一个局部散射中心散射时，这称为单次散射。 散射中心聚集在一起是很常见的； 在这种情况下，辐射可能会发生多次散射，即所谓的多次散射。 单次散射和多次散射的影响之间的主要区别在于，单次散射通常可以被视为一种随机现象，而多次散射，有点违反直觉，可以被建模为一个更具确定性的过程，因为大量散射事件的综合结果 趋于平均。 因此，多次散射通常可以用扩散理论很好地建模。

由于单个散射中心的位置相对于辐射路径通常不是众所周知的，因此结果往往强烈依赖于确切的入射轨迹，对观察者来说似乎是随机的。 这种类型的散射可以通过向原子核发射电子来举例说明。 在这种情况下，原子相对于电子路径的确切位置是未知的，无法测量，因此无法预测碰撞后电子的确切轨迹。 因此，单次散射通常用概率分布来描述。

对于多次散射，相互作用的随机性往往会被大量散射事件平均化，因此辐射的最终路径似乎是强度的确定性分布。 光束穿过浓雾就是例证。 多次散射与扩散非常相似，并且多次散射和扩散这两个术语在许多情况下可以互换。