米氏散射 (Mie Scattering) 是由德國物理學家古斯塔夫·米 (Gustav Mie) 於 1908 年提出的光學現象。它描述了當粒子直徑與入射光波長相當或更大時，電磁波（如光）被均勻球形粒子散射的過程。
米氏散射與水晶的關連主要體現在水晶內部的包裹體（Inclusions）如何影響其外觀與光學效應。雖然水晶本身的晶體結構是透明的，但其中的微小雜質、礦物或氣液包裹體會因米氏散射產生特定的視覺特徵。
核心特徵
- 粒子大小： 適用於直徑約為波長 0.1 到 100 倍的粒子。
- 方向性： 與向四面八方均勻散射的瑞利散射不同，米氏散射具有強烈的前向性（大部分光線沿原傳播方向散射）。
- 波長依賴性： 散射強度對波長的依賴性較弱，因此散射出的光通常呈現白色或灰色。
- 數學基礎： 它是馬克士威方程組 (Maxwell's equations) 的解析解，以球諧函數的無窮級數形式表示。
自然界中的例子
- 雲與霧： 雲朵看起來是白色的，是因為構成雲的水滴尺寸較大，能對所有波長的可見光進行米氏散射。
- 大氣汙染與野火： 當空氣中充滿煙霧或粉塵微粒時，米氏散射會讓天空顯得灰暗或在特定條件下呈現不尋常的橘紅色（米氏共振）。
- 光學現象： 它是形成光環 (Coronas)、寶光 (Glories) 以及某些類型彩虹（如霧虹）的主要物理機制。
水晶內包裹體引起的光學現象
當水晶內部含有尺寸與光波長相當（約 400-700 奈米）或更大的微粒時，就會發生米氏散射：- 乳白色外觀： 如「乳白水晶」（Milky Quartz），其內部含有大量細微的流體包裹體。這些包裹體對各波長的可見光進行不均勻的米氏散射，使光線混合成白色，讓水晶呈現不透明或半透明的乳白色。
- 星光效應（Asterism）： 某些水晶（如星光粉晶）內含細長的針狀包裹體（通常是金紅石）。當這些微細針狀物的直徑處於米氏散射的範圍時，它們會散射光線並在特定方向加強，形成閃爍的星芒。
- 貓眼效應（Chatoyancy）： 與星光效應類似，平行的針狀包裹體透過散射光線，在垂直於纖維的方向形成一條明亮的帶狀光束。
主要應用領域
- 顆粒測量：雷射繞射粒徑分析儀 利用此理論精確測量乳液、粉末的粒徑分布。
- 生醫光學：用於分析細胞核大小以輔助癌症篩查，或在醫學檢驗中測量血漿蛋白。
- 材料科學：開發超解析顯微鏡、光子計算機的全光學開關，以及設計具有特殊光學性質的超材料。
- 大氣環境：用於氣象觀測、評估氣溶膠對氣候變遷的影響。
- 在寶石學與材料科學：米氏理論是分析水晶性質的重要工具：
- 包裹體大小測量： 利用雷射照射水晶，觀察其散射圖案（Mie Pattern），科學家可以推算出內部包裹體的分佈與大小，這有助於區分天然水晶與人造合成水晶。
- 光學異向性研究： 由於水晶（如石英）具有雙折射（Birefringence）特性，光在不同晶軸上的傳播速度不同。研究者會結合米氏理論與晶體的光學異向性，來探討光在水晶介質中的複雜散射行為。
與瑞利散射的區別
- 在水晶中，這兩種散射常被同時提及但效果不同：瑞利散射（Rayleigh Scattering）： 發生在極微小的分子級粒子上，通常使光呈現藍色（如藍色石英中的細微顆粒）。
- 米氏散射： 發生在較大的粒子上，散射效果不隨波長劇烈變化，因此通常呈現白色或淡灰色，並具有明顯的前向散射（光線更容易穿透而非反向彈回）。
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