Механизм рассеяния света
С точки зрения классической физики рассеяние света состоит в том, что волна света, распространяясь сквозь вещество, является причиной колебания электронов в атомах (молекулах). Данные электроны вызывают вторичные волны, которые распространяются по всем направлениям. Эти волны когерентны между собой, следовательно, подвержены интерференции.
Расчеты ведут к следующему выводу: если среда является однородной, вторичные волны полностью гасят друг друга по всем направлениям (исключение составляет направление распространения первичной волны). Это означает, что рассеяния в однородной среде не происходит.
В неоднородной среде волны света дифрагирует на мелких неоднородностях среды. Возникает картина дифракции в виде почти равномерного распределения интенсивности по всем направлениям. Данное явление и называют рассеянием света.
Примерами подобных сред являются вещества с явно выраженной оптической неоднородностью, так называемые мутные среды. Это, например, дым, туман (аэрозоли), коллоидные растворы, матовые стекла, и другие вещества, которые имеют мелкие частицы, показатель преломления которых отличен от показателя преломления окружающего вещества.
Законы рассеяния световых волн в мутных средах первым эмпирически исследовал Тиндаль. Такое рассеяние называют Тиндалевским. Падающий на мутное вещество свет частично рассеивается по всем направлениям.
Тиндаль наблюдал то, белый свет при рассеянии становился сиреневатым. Ученый объяснил это тем, что синий цвет и поляризация неба определены рассеянием света солнца на мелких частицах пыли, которая имеется в атмосфере.
Закон Рэлея
Рассеяние света в мутных средах на неоднородностях, размеры которых малы в сравнении с длиной волны, можно фиксировать, к примеру, когда яркий пучок света распространяется сквозь воздух с взвесью мелких частиц дыма. В том случае, если мутную воду осветить белым светом, то в рассеянном свете вещество будет казаться голубым, это означает, что преобладают короткие волны спектра. В свете, который прошел толстый слой мутного вещества, выявляются длинные волны, при этом вещество кажется красноватым.
Причиной данного явления стало то, что электроны, которые вынуждены колебаться в атомах электрически изотопных частиц небольшого размера (порядка 0,1$\lambda $) подобны одному диполю. Данный диполь совершает колебания с частотой, падающей на него волны света, при этом интенсивность света, который он излучает, пропорциональна четвертой степени частоты или обратно пропорциональна четвертой степени длины волны:
Данную зависимость называют законом Рэлея. Из данного закона следует, что волны корочкой части спектра испытывают рассеяние интенсивнее, чет длинные волны.
Поляризация рассеянного света
Интенсивность рассеянного света ($I$) в мутной среде зависит от угла рассеяния ($\theta $):
где $I_0=AI_0\frac{n_0V^2}{{\lambda }^4}$ -- интенсивность света, который рассеян под углом $90^\circ$ к направлению изначального направления пучка света, $I_0$- интенсивность падающей волны, $n_0-\ $концентрация частиц, $V$ -- объем частиц, $A$ -- коэффициент пропорциональности. Если молекулы рассеивающих частиц электрический изотропны (не полярные молекулы), то рассеянный свет оказывается поляризованным частично по всем направлениям, кроме направления при $\theta =\frac{\pi }{2}\ $. В данном направлении рассеянный свет окажется полностью поляризованным.
В том случае, если размеры неоднородностей сравнимы с длинной световой волны, то электроны в разных местах неоднородности совершают не синфазные колебания. Закон Рэлея нарушается. В таком случае:
Свет, который рассеян под углом $\theta =\frac{\pi }{2},$ поляризован частично.
Если размеры неоднородностей больше, чем длина волны света, спектр рассеянного сета почти совпадает со спектральным составом первичного пучка. Экспериментально данное рассеяние изучал Ми. Индикатрисы рассеяния для больших частиц отличаются от рэлеевских, он не являются симметричными. По виду индикатрис оценивают размер частиц.
Рассеяние Ми
Теория Рэлея неплохо описывает рассеяние на молекулах и малых сферических частицах, радиус которых меньше чем $0,03\lambda $. При увеличении размеров частиц наблюдается отклонение от теории Рэлея и следует использовать теорию Ми. Данная теория учитывает размеры частиц и представляет рассеяние как ряд, малым параметром в нем служит величина:
где $a$ -- радиус сферической частицы. Теория рассеяния Ми строго говоря, относится только к сферическим частицам, но термин «рассеяние Ми» используют и для рассеяния частиц другой формы. Из выражения (3) следует, что имеет значение не столько абсолютный размер частиц, а соотношения $\frac{a}{\lambda }$. При $\alpha
Отличия механизмов рассеяния Ми от рассеяния Рэлея вызваны:
-
При рассеянии Ми следует учитывать влияние переизлучения первичной волны элементарными рассеивателями. В отличие от рассеивания Рэлея рассеиватели у Ми находятся в разных электромагнитных полях. То есть коэффициент преломления в объеме частицы отличен от единицы.
-
В рассеянии Ми следует учесть различие в фазах излучения элементарных рассеивателей и разность фаз, которую вносит в исследуемое излучение конечное расстояние между элементарными рассеивателями. Это ведет к зависимости распределения интенсивности излучения от направления, которая выражает зависимость условий интерференции излучения элементарных рассеивателей от их расположения относительно точки наблюдения.
С точки зрения математики, теория Ми сводится к решению уравнений Максвелла с граничными условиями на поверхности сферической частицы произвольного радиуса. Она характеризуется диэлектрической и магнитной проницаемостью и электропроводностью. Решение имеет вид рядов, которые дают полную информацию о рассеянии.
Рассеянный свет в данном явлении поляризован частично. Даже если падающее излучение неполяризованное. При этом характер поляризации зависит от оптических свойств частиц и направления наблюдения рассеяния.
Важной особенностью рассеяния Ми является его малая зависимость от длины волны.
Приведите примеры рассеяния Ми.
Решение:
Множественность проявлений рассеяния Ми вызвано многообразием частиц, на которых осуществимо рассеяние световой волны. Так, например, мы наблюдаем данный тип рассеяния, когда видим небо, которое приобрело белесый оттенок при задымлении атмосферы. При полете в самолете на большой высоте нет четкой линии горизонта, ее застилает атмосферная дымка. Данные явления вызваны рассеянием Ми на аэрозолях воздуха. Непрозрачный туман -- рассеяние небольшими каплями воды.
Какого цвета было бы небо, если бы рассеяние света отсутствовало?
Решение:
В том случае, если бы не было рассеяния света, то небо было бы абсолютно черным. На нем все небесные светила выделялись бы более ярко и контрастно. Подобным видно небо из космоса. При наличии атмосферы существенная часть прямого солнечного излучения рассеивается по разным направлениям. Доля рассеиваемого света увеличивается с уменьшением длины волны. Вследствие чего, рассеянный свет обогащен короткими волнами, что объясняет цвет неба. При закате и восходе прямой свет Солнца проходит через толстый слой атмосферы, в таком случае существенная часть излучения с короткой волной теряется на рассеяние. До поверхности Земли доходят из состава прямого света в основном красные лучи. Поэтому на восходе и закате Солнце красное. Так же можно объяснить цвет зари.
