Рассеивание света кратко и понятно
Обновлено: 02.07.2024
изменение характеристик потока оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света) при его взаимодействии с веществом. Этими характеристиками могут быть пространственное распределение интенсивности, частотный спектр, Поляризация света. Часто Р. с. называется только обусловленное пространственной неоднородностью среды изменение направления распространения света, воспринимаемое как несобственное свечение среды.
Последовательное описание Р. с. возможно в рамках квантовой теории взаимодействия излучения с веществом, основанной на квантовой электродинамике (См. Квантовая электродинамика) и квантовых представлениях о строении вещества. В этой теории единичный акт Р. с. рассматривается как поглощение частицей вещества падающего Фотона с энергией ħω, импульсом (количеством движения (См. Количество движения)) ħk и поляризацией μ, а затем испускание фотона с энергией ħω, импульсом ħk' и поляризацией μ'. Здесь ħ — Планка постоянная, ω и ω' — частоты фотонов, каждая из величин k и k' — Волновой вектор. Если энергия испущенного фотона равна энергии поглощённого (ω = ω'), Р. с. называется рэлеевским, или упругим. При ω ≠ ω' Р. с. сопровождается перераспределением энергии между излучением и веществом и его называют неупругим.
Вследствие обилия и разнообразия факторов, определяющих Р. с., весьма трудно развить одновременно единый и детальный способ его описания для различных случаев. Поэтому рассматривают Идеализированные ситуации с разной степенью адекватности самому явлению.
Р. с. отдельным электроном с большой точностью является упругим процессом. Его сечение не зависит от частоты (т. н. томсоновское Р. с.) и равно σ = (8π/3) r 2 0 = 6,65․10 —25 см 2 (r0 = e 2 /mc 2 — т. н. классический радиус электрона, много меньший длины волны света; е и m — заряд и масса электрона; с — Скорость света в вакууме). Индикатриса рассеяния неполяризованного света в этом случае такова, что вперёд или назад (под углами 0° и 180°) рассеивается вдвое больше света, чем под углом 90°. Р. с. отдельными электронами — процесс, обычный в астрофизической плазме (См. Плазма); в частности, оно ответственно за многие явления в солнечной короне (См. Солнечная корона) и коронах др. звёзд.
Основная особенность Р. с. отдельным атомом — сильная зависимость сечения рассеяния от частоты. Если частота ω падающего света мала по сравнению с частотой ω0 собственных колебаний атомных электронов (атомной линии поглощения), то σ Рассеяние света ω 4 , или λ —4 (λ — длина волны света). Эта зависимость, найденная на основе представления об атоме как об электрическом диполе (См. Диполь), колеблющемся в поле световой волны, называется Рэлея законом. Вблизи атомных линий (ω ≈ ω0) сечения резко возрастают, достигая в резонансе (ω = ω0) очень больших значений σ ≈ λ 2 Рассеяние света 10 —10 см 2 . Вследствие ряда особенностей резонансного Р. с. оно носит специальное название резонансной флуоресценции. Индикатриса рассеяния неполяризованного света атомами аналогична описанной для свободных электронов. Р. с. отдельными атомами наблюдается в разреженных газах.
При Р. с. молекулами наряду с рэлеевскими (несмещенными) линиями в спектре рассеяния появляются, в отличие от случая атомарного Р. с., линии неупругого Р. с. (смещенные по частоте). Относит. смещения )ω — ω'|/ω Рассеяние света 10 -3 —10 -5 , а интенсивность смещенных линий составляет лишь 10 -3 —10 -6 интенсивности рэлеевской. О неупругом Р. с. молекулами см. Комбинационное рассеяние света.
Р. с. мелкими частицами обусловливает широкий класс явлений, которые можно описать на основе теории дифракции света (См. Дифракция света) на диэлектрических частицах. Многие характерные особенности Р. с. частицами удаётся проследить в рамках строгой теории, разработанной для сферических частиц английским учёным А. Лявом (1889) и немецким учёным Г. Ми (1908, теория Ми). Когда радиус шара r много меньше длины волны света λn в его веществе, Р. с. на нём аналогично нерезонансному Р. с. атомом. Сечение (и интенсивность) Р. с. в этом случае сильно зависит от r и от разности диэлектрических проницаемостей (См. Диэлектрическая проницаемость) ε и ε0 вещества шара и окружающей среды: σ Рассеяние света λn —4 r 6 (ε - ε0)(Рэлей, 1871). С увеличением r до r Рассеяние света λn и более (при условии ε > 1) в индикатрисе рассеяния появляются резкие максимумы и минимумы — вблизи т. н. резонансов Ми (2r = mλn, m = 1, 2, 3. ) сечения сильно возрастают и становятся равными 6πr 2 , рассеяние вперёд усиливается, назад — ослабевает; зависимость поляризации света от угла рассеяния значительно усложняется.
Р. с. большими частицами (r >> λn) рассматривают на основе законов геометрической оптики (См. Геометрическая оптика) с учётом интерференции лучей, отражённых и преломленных на поверхностях частиц. Важная особенность этого случая — периодический (по углу) характер индикатрисы рассеяния и периодическая зависимость сечения от параметра r/λn. Р. с. на крупных частицах обусловливает Ореолы, радуги (См. Радуга), Гало и др. явления, происходящие в аэрозолях (См. Аэрозоли), туманах и пр.
Р. с. средами, состоящими из большого числа частиц, существенно отличается от Р. с. отдельными частицами. Это связано, во-первых, с интерференцией волн, рассеянных отдельными частицами, между собой и с падающей волной. Во-вторых, во многих случаях важны эффекты многократного рассеяния (переизлучения), когда свет, рассеянный одной частицей, вновь рассеивается другими. В-третьих, взаимодействие частиц друг с другом не позволяет считать их движения независимыми.
Если Фаза рассеянной волны однозначно определяется фазой падающей волны, Р. с. называется когерентным, в противном случае — некогерентным. По исторической традиции Р. с. отдельной молекулой (атомом) часто называется когерентным, если оно рэлеевское, и некогерентным, если оно неупруго. Такое деление условно: рэлеевское Р. с. может являться некогерентным процессом так же, как и комбинационное. Строгое решение вопроса о когерентности при Р. с. тесно связано с понятием квантовой когерентности и статистикой излучения. Резкое различие в пространственном распределении когерентно и некогерентно рассеянного света обусловлено тем, что при некогерентном Р. с. вследствие нерегулярного, случайного распределения неоднородностей в среде фазы вторичных волн случайны по отношению друг к другу; поэтому при интерференции не происходит полного взаимного гашения волн, распространяющихся в произвольном направлении.
Впервые на Р. с. тепловыми флуктуациями (его называют молекулярным Р. с.) указал М. Смолуховский в 1908. Он развил теорию молекулярного Р. с. разреженными газами, в которых положение каждой отдельной частицы можно с хорошей степенью точности считать не зависящим от положений др. частиц, что и является причиной случайности фаз волн, рассеянных каждой частицей. Взаимодействием частиц между собой в ряде случаев можно пренебречь. Это позволяет считать, что интенсивность света, некогерентно рассеянного коллективом частиц, есть простая сумма интенсивностей света, рассеянного отдельными частицами. Суммарная интенсивность пропорциональна плотности газа. В оптических тонких средах (см. Оптическая толщина) Р. с. сохраняет многие черты, свойственные Р. с. отдельными молекулами (атомами). [В оптически плотных средах чрезвычайно существенным становится многократное рассеяние (переизлучение)]. Так, в атмосфере Земли сечение рассеяния солнечного света на флуктуациях плотности характеризуется той же зависимостью σ Рассеяние света λ —4 , что и нерезонансное Р. с. отдельными частицами. Этим объясняется голубой цвет неба: высокочастотную (голубую) составляющую спектра лучей Солнца атмосфера рассеивает гораздо сильнее, чем низкочастотную (красную). Весьма сложна картина Р. с. при резонансной флуоресценции, когда в объёме λ 3 находится большое число частиц. В этих условиях коллективные эффекты становятся определяющими; Р. с. может происходить по необычному для газа типу, например приобретая характер металлического отражения от поверхности газа. Полная теория резонансной флуоресценции не разработана.
Молекулярное Р. с. чистыми, без примесей, твёрдыми и жидкими средами отличается от нерезонансного Р. с. газами вследствие коллективного характера флуктуаций показателя преломления (обусловленных флуктуациями плотности и температуры среды при наличии достаточно сильного взаимодействия частиц друг с другом). Теорию упругого Р. с. жидкостями развил в 1910, исходя из идей Смолуховского, А. Эйнштейн. Эта теория основывалась на предположении, что размеры оптических неоднородностей в среде малы по сравнению с длиной волны света. Вблизи критических точек (см. Критическое состояние) фазовых переходов (См. Фазовый переход) интенсивность флуктуаций значительно возрастает и размеры областей неоднородностей становятся сравнимы с длиной волны света, что приводит к резкому усилению Р. с. средой — опалесценции критической (См. Опалесценция критическая), осложнённой явлением переизлучения.
В растворах дополнительной причиной Р. с. являются флуктуации концентрации; на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей — флуктуации этой поверхности (Л. И. Мандельштам, 1913). Вблизи критических точек (точки осаждения в 1-м случае, точки расслоения — во 2-м) возникают явления, родственные критические опалесценции.
Движение областей неоднородностей среды приводит к появлению в спектрах Р. с. смещенных по частоте линий. Типичным примером может служить Р. с. на упругих волнах плотности (Гиперзвуке), подробно описанное в ст. Мандельштама - Бриллюэна рассеяние.
Всё сказанное выше относилось к Р. с. сравнительно малой интенсивности. В 60—70-е гг. 20 в. после создания сверхмощных источников оптического излучения узкого спектрального состава (Лазеров) стало возможным изучение рассеяния чрезвычайно сильных световых потоков, которому оказались свойственны характерные отличия. Так, например, при резонансном рассеянии сильного монохроматического света (См. Монохроматический свет) на отдельном атоме вместо рэлеевских линий появляются Дублеты (в данном случае свет рассеивается атомом, состояние которого уже изменено действием сильного электромагнитного поля). Др. особенность рассеяния сильного света заключается в интенсивном характере т. н. вынужденных процессов в веществе, резко меняющих характеристики Р. с. Подробно об этом см. в ст. Вынужденное рассеяние света и Нелинейная оптика.
Явление Р. с. чрезвычайно широко используется при самых разнообразных исследованиях в физике, химии, в различных областях техники. Спектры Р. с. позволяют определять молекулярные и атомные характеристики веществ, их упругие, релаксационные и др. постоянные. В ряде случаев эти спектры являются единственным источником информации о запрещенных переходах (см. Запрещенные линии) в молекулах. На Р. с. основаны многие методы определения размеров, а иногда и формы мелких частиц, что особенно важно, например, при измерении видимости атмосферной (См. Видимость атмосферная) и при исследовании полимерных растворов (см. Нефелометрия, Турбидиметрия). Процессы вынужденного Р. с. лежат в основе т. н. активной спектроскопии и широко используются в лазерах с перестраиваемой частотой.
Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Волькештейн М. В., Молекулярная оптика, М. — Л., 1951; Хюлст Г., Рассеяние света малыми частицами, пер. с англ., М., 1961; Фабелинский И. Л., Молекулярное рассеяние света, М., 1965; Пантел Р., Путхов Г., Основы квантовой электроники, пер. с англ., М., 1972.
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .
Рассеянием светаназывают явление, при котором распространяющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозможным направлениям.
Необходимое условие для возникновения рассеяния света — наличие оптических неоднородностей, т. е., в частности, областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.
Рассеяние света возникает на оптических неоднородностях среды. Различают два основных вида таких неоднородностей:
1) мелкие инородные частицы в однородном прозрачном веществе. Такие среды являются мутными: дым (твердые частицы в газе), туман (капельки жидкости в газе), взвеси, эмульсии и т. п. Рассеяние в мутных средах называют явлением Тиндаля;
2) оптические неоднородности, возникающие в чистом веществе из-за статистического отклонения молекул от равномерного распределения (флуктуации плотности). Рассеяние света на неоднородностях этого типа называют молекулярным, например рассеяние света в атмосфере.
Уменьшение интенсивности света вследствие рассеяния, как и при поглощении, описывают показательной функцией
I = I0е – ml (24.10)
где m — показатель рассеяния (натуральный).
При совместном действии поглощения и рассеяния света ослабление интенсивности также является показательной функцией
I = I0е – m l (24.11)
где m — показатель ослабления (натуральный). Как нетрудно видеть, m = m + kl
Рэлей установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднородностях, приблизительно меньших 0,2l, (l. — длина волны света), а также при молекулярном рассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Рэлея):
I ~ 1/l 4 (24.12)
Это означает, что из белого света веществом, например в точке Д (рис. 24.3), будут преимущественно рассеиваться голубые и фиолетовые лучи (направление А), а красные — проходить в направлении Б падающего света. Аналогичное явление наблюдается и в природе: голубой цвет неба — рассеянный свет, красный цвет заходящего Солнца — изменение спектра белого света из-за значительного рассеяния голубых и фиолетовых лучей в толще атмосферы при наклонном падении (см. пояснение к рис. 22.3).
Меньшее рассеяние красных лучей используют в сигнализации: опознавательные огни на аэродромах, наиболее ответственный свет светофора — красный, и т. п. Инфракрасные лучи рассеиваются еще меньше. На рис. 24.4 изображены две фотографии пейзажа: на левой, снятой обычным методом, туман сильно ограничил видимость; на правой, снятой в инфракрасном излучении на специальной пластинке, туман не мешает, он оказался прозрачным для более длинных волн.
Если взвешенные частицы велики по сравнению с длиной волны, то рассеяние не соответствует закону Рэлея (24.12) — в знаменателе дроби будет стоять l 2 . Рассеянный свет теряет свою голубизну и становится белее. Так, пыльное небо городов кажется нам белесым в противоположность темно-синему небу чистых морских просторов.
Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и т. д. приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях и т. д. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы — нефелометрами.
Еще один тип рассеяния света, названный комбинационным рассеянием, был открыт в 1928 г. Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом в Москве и одновременно Ч. В. Раманом в Индии. Это явление заключается в том, что в спектре рассеяния помимо несмещенной линии, соответствующей частоте падающего света, появляются новые линии, частоты которых n¢ представляют собой комбинацию частоты падающего света n0 и частот ni. (i = 1, 2, . ) колебательных или вращательных переходов рассеивающих молекул:
С помощью метода комбинационного рассеяния определяются собственные частоты колебаний молекулы; он позволяет также судить о характере симметрии молекулы. Спектры комбинационного рассеяния настолько характерны для молекул, что с их помощью осуществляется анализ сложных молекулярных смесей. Спектроскопия комбинационного рассеяния дает информацию, аналогичную получаемой инфракрасной спектроскопией, но имеет то преимущество, что позволяет работать с водными растворами молекул, используя видимый свет, для которого растворитель прозрачен.
Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и другое приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях, форме частиц и так далее. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы - нефелометрами.
Рассеянием светаназывают явление, при котором распространяющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозможным направлениям.
Необходимое условие для возникновения рассеяния света — наличие оптических неоднородностей, т. е., в частности, областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.
Рассеяние света возникает на оптических неоднородностях среды. Различают два основных вида таких неоднородностей:
1) мелкие инородные частицы в однородном прозрачном веществе. Такие среды являются мутными: дым (твердые частицы в газе), туман (капельки жидкости в газе), взвеси, эмульсии и т. п. Рассеяние в мутных средах называют явлением Тиндаля;
2) оптические неоднородности, возникающие в чистом веществе из-за статистического отклонения молекул от равномерного распределения (флуктуации плотности). Рассеяние света на неоднородностях этого типа называют молекулярным, например рассеяние света в атмосфере.
Уменьшение интенсивности света вследствие рассеяния, как и при поглощении, описывают показательной функцией
I = I0е – ml (24.10)
где m — показатель рассеяния (натуральный).
При совместном действии поглощения и рассеяния света ослабление интенсивности также является показательной функцией
I = I0е – m l (24.11)
где m — показатель ослабления (натуральный). Как нетрудно видеть, m = m + kl
Рэлей установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднородностях, приблизительно меньших 0,2l, (l. — длина волны света), а также при молекулярном рассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Рэлея):
I ~ 1/l 4 (24.12)
Это означает, что из белого света веществом, например в точке Д (рис. 24.3), будут преимущественно рассеиваться голубые и фиолетовые лучи (направление А), а красные — проходить в направлении Б падающего света. Аналогичное явление наблюдается и в природе: голубой цвет неба — рассеянный свет, красный цвет заходящего Солнца — изменение спектра белого света из-за значительного рассеяния голубых и фиолетовых лучей в толще атмосферы при наклонном падении (см. пояснение к рис. 22.3).
Меньшее рассеяние красных лучей используют в сигнализации: опознавательные огни на аэродромах, наиболее ответственный свет светофора — красный, и т. п. Инфракрасные лучи рассеиваются еще меньше. На рис. 24.4 изображены две фотографии пейзажа: на левой, снятой обычным методом, туман сильно ограничил видимость; на правой, снятой в инфракрасном излучении на специальной пластинке, туман не мешает, он оказался прозрачным для более длинных волн.
Если взвешенные частицы велики по сравнению с длиной волны, то рассеяние не соответствует закону Рэлея (24.12) — в знаменателе дроби будет стоять l 2 . Рассеянный свет теряет свою голубизну и становится белее. Так, пыльное небо городов кажется нам белесым в противоположность темно-синему небу чистых морских просторов.
Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и т. д. приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях и т. д. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы — нефелометрами.
Еще один тип рассеяния света, названный комбинационным рассеянием, был открыт в 1928 г. Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом в Москве и одновременно Ч. В. Раманом в Индии. Это явление заключается в том, что в спектре рассеяния помимо несмещенной линии, соответствующей частоте падающего света, появляются новые линии, частоты которых n¢ представляют собой комбинацию частоты падающего света n0 и частот ni. (i = 1, 2, . ) колебательных или вращательных переходов рассеивающих молекул:
С помощью метода комбинационного рассеяния определяются собственные частоты колебаний молекулы; он позволяет также судить о характере симметрии молекулы. Спектры комбинационного рассеяния настолько характерны для молекул, что с их помощью осуществляется анализ сложных молекулярных смесей. Спектроскопия комбинационного рассеяния дает информацию, аналогичную получаемой инфракрасной спектроскопией, но имеет то преимущество, что позволяет работать с водными растворами молекул, используя видимый свет, для которого растворитель прозрачен.
Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и другое приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях, форме частиц и так далее. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы - нефелометрами.
Читайте также: