Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассеяние света

Теория рассеяния Рэлея

Электрическое поле распространяющейся в веществе световой волны взаимодействует с частицами среды и вызывает переизлучение энергии. Если среда не вполне однородна, возникает рассеяние, т. е. изменяется направление волнового вектора k при сохранении полной энергии световой волны. При этом световой поток в первоначальном направлении ослабляется (рис. 3.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

В качестве рассеивателей могут выступать молекулы с размерами от 1 ангстрема, частицы различной формы и размерами до тысяч нанометров, наконец, оптические неоднородности (посторонние включения, дефекты структуры, упругие колебания решетки). Если размер рассеивателя a менее ?/15 наблюдается рэлеевское рассеяние, более - рассеяние Ми. При a ~ ???эффекты рассеяния постепенно переходят в дифракционные.

Среды с явно выраженной оптической неоднородностью носят название мутных сред. К их числу относятся дымы (аэрозоли), взвеси (суспензии), эмульсии, молочные стекла и т.п. Рассеяние в таких средах называют эффектом Тиндаля и учитывают через коэффициент рассеяния (или экстинкции) ', аддитивно входящий в показатель экспоненты бугеровского закона: .

Размещено на http://www.allbest.ru/

В модели Рэлея оптическая неоднородность создается сферическими частицами с диэлектрической проницаемостью 1. Размеры рассеивателей (как правило, молекул) предполагаются много меньшими длины волны. Поэтому рассеянная волна считается когерентной падающей: нет фазового сдвига, зависящего от размеров и формы рассеивателя. Частицы хаотически распределены в среде с диэлектрической проницаемостью 2 и волны от них складываются по интенсивности. Под действием поля E падающей волны в веществе возникают наведенные диполи, дипольный момент которых параллелен E (рис. 3.2) и пропорционален напряженности поля и поляризуемости рассеивающих частиц:

,

где V - объем частицы.

В соответствии с законами электродинамики индуцированный диполь излучает, причем вектор Пойнтинга S' переизлученного света зависит от направления рассеяния.

В случае линейно поляризованного падающего света все наведенные диполи ориентированы параллельно оси X. Диаграмма направленности излучения, или индикатриса рассеяния, описывается формулой (3.1), которая легко получается из (1.1):

.

Поскольку вдоль своей оси диполь не излучает, интенсивность рассеяния вдоль X равна нулю, а вдоль Y и Z - максимальна (рис. 3.3а).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если же падающий свет не поляризован, то оси индуцированных диполей равномерно распределены в плоскости XY. Диаграмма направленности рассеянного света в этом случае дается соотношением (3.3) и показана на рис. 3.3б. рассеянный рэлей излучение опалесценция

.

Пунктиром внутри диаграммы показаны индикатрисы рассеяния для ортогональных компонент поляризации - в плоскости рисунка и перпендикулярно ей. Обратная пропорциональность интегральной интенсивности рассеяния четвертой степени длины волны называется законом Рэлея и является причиной красноватого оттенка рассеянного света в прямом направлении и синеватого - под углом 90 градусов. Кроме того, рассеянный в поперечном направлении свет оказывается линейно поляризованным. Теория Рэлея объясняет красный цвет Солнца на закате и восходе, голубой цвет неба.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фарадеем была предложена изящная демонстрация оптической активности (см. раздел 6.7) с использованием рэлеевского рассеяния. В раствор сахара, обладающий способностью вращать плоскость поляризации, добавляют несколько капель молока (рассеиватель). При наблюдении поперек кюветы, легко заметить винтовую модуляцию интенсивности рассеяния (рис. 3.4).

Индикатрисы рассеяния крупными частицами (рассеяние Ми)

Если размеры рассеивателя оказываются сравнимы с длиной волны падающего излучения, то приближения теории Рэлея не выполняются: возникающий на каждом рассеивателе фазовый сдвиг зависит от формы, размеров и оптических свойств частицы. Кроме того, сами элементарные диполи оказываются в различных полях в результате переизлучений и конечного расстояния между ними.

Теория рассеяния Ми предсказывает для ряда простейших случаев (преломляющие или отражающие частицы круглой или эллиптической формы) интуитивно понятную трансформацию индикатрис рассеяния при изменении размеров рассеивателей. Индикатрисы теряют свою симметричность (рассеяние вперед может превосходить рассеяние назад и наоборот) и постепенно становятся многолепестковыми, причем боковые максимумы подчиняются дифракционным соотношениям asin? = ? (рис. 3.5).Размещено на http://www.allbest.ru/

Математическую основу теории Ми составляет разложение уравнений для переизлученной электромагнитной волны по малому параметру ? = ka = 2?a / ?. При возрастании этого параметра приходится учитывать все больше членов разложения по степеням ?. Частотная зависимость интенсивности рассеяния I' также изменяется и становится более медленной, чем следует из закона Рэлея.

Примерами рассеяния Ми являются внешний вид облаков, туч и дыма, рассеяние туманами, проявление трассового следа реактивных самолетов и т. д.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптические неоднородности с линейными размерами порядка длины волны образуются, также, в окрестностях критической точки K на диаграмме P-V для реального газа (рис. 3.6). В этот момент флуктуации плотности, а, следовательно, и показателя преломления, резко нарастают; их уже нельзя считать статистически независимыми. Это приводит к критической опалесценции - сильному рассеянию света в условиях стремления к нулю производной dP/dV.

Размещено на Allbest.ru