瑞利散射的物理基础与测量原则

除了自由电子的散射外，光子还可以被原子、离子和分子周围的束缚电子散射。瑞利散射是入射光子与重粒子上束缚电子发生的散射，它要求入射光的波长比散射粒子本身的尺度大得多，这对于可见光和近紫外光的空气分子散射来说是适用的。其散射光的强度与入射光的频率四次方成正比。由于瑞利散射是弹性光子散射，因此散射光子的能量和波长与入射光子的能量和波长相同，从而使粒子处于与散射发生之前相同的状态。由于等离子体中的重粒子比电子慢得多，因此被瑞利散射的光子不会发生明显的多普勒频移。因此，瑞利光谱由一条在λ=λi处的细线组成。瑞利散射强度主要由电离度足够低的气体或等离子体的中性物质决定。因此，散射辐射通常是不相干的。像汤姆逊散射一样，通常以粒子的形式可以方便地讨论此过程。从电磁角度看，可以计算出电场中电子云的运动（原子或分子的极化）以及由该运动产生的电场。与汤姆逊散射相似的方式，可用于确定散射截面和总瑞利散射功率表达式。

总瑞利散射功率可以表示为类似于式（6.5.4）的形式，即

其中，nh是气体中的重粒子密度。原子气体的瑞利散射的微分散射截面由原子的极化率确定

（微观）极化率α也可以根据气体的（宏观）折射率μ来表示为

其中，nμ是折射率为μ的气体密度。对于μ-1≪1，可以近似为α≈2∈　0（μ-1）/nμ，因此(www.xing528.com)

由于瑞利散射强度和重粒子密度nh成正比。根据理想气体方程p=nkkBTg，当给定气压p时，散射强度与气体温度成反比。为了测量绝对气体温度Tg，必须由已知的参考温度校准。因此[66]

其中，Pplasma和Pref是等离子体的瑞利信号和参考信号的总散射能量。由于瑞利散射的多普勒展宽很小，因此通常用光谱仪的仪器频谱函数作为瑞利散射信号的频谱函数。由于已知Tref（室温），因此可以使用式（6.5.29）计算Tg。

瑞利散射截面的微分dσR/dΩ取决于气体种类，这意味着参考值的测量原则上必须保证相同的气体组分。在实验中，参考值的测量可设定为通气流，等离子体关闭时的情况，假定Tref为室温。氩气和空气的dσR/dΩ很相似：对于氩气，dσR/dΩ为5.4×10-32m2；对于空气，dσR/dΩ为6.2×10-32m2；而对于氮气和氧气，dσR/dΩ为5.3×10-32m2[67]。因此，气体成分的微小变化并不重要。