Рассеяние света

При распространении световых волн и световых пучков в веществе (в газовой, жидкой и твердой среде) изменяются в общем случае пространственное распределение, частота и поляризация света. Эти явления называют рассеянием света.

Часто под рассеянием понимают только преобразование углового распределения светового пучка, возникающего из-за неоднородности показателя преломления среды.

Если частота рассеянного света равна частоте падающего, то рассеяние света называют релеевским. Такое рассеяние возникает в среде, содержащей микроскопические частицы или неоднородности с произвольными размерами. Его называют эффектом Тиндаля. Оно порождает широкий класс явлений: радуги, гало (светлые круги, дуги, столбы и пятна, наблюдаемые около дисков Солнца или Луны из-за рассеяния света ледяными кристалликами, взвешенными в воздухе), ореолы, голубой цвет неба и красный цвет закатов и рассветов.

При переходе вещества из газообразного в жидкое состояние возрастают флуктуации плотности и релеевское рассеяние в этот момент резко возрастает. Это явление называют критической опалесценцией.

Рассеяние с изменением частоты падающего света может быть нескольких видов:

· - при рассеянии монохроматического света на молекулах в спектре рассеяния возникают новые спектральные линии (Рамановское или комбинационное рассеяние), которые связаны с внутримолекулярным движением электронов;

· - рассеяние света (рентгеновского излучения) на свободных электронах – эффект Комптона;

· - рассеяние света на упругих волнах, возникающих в веществе под действием световой волны называют рассеянием Мандельштама-Бриллюэна.

· - указанные виды рассеяния света в веществе с изменением частоты при определенных условиях могут резко усиливаться при возбуждении среды мощным лазерным излучением. Широкий круг видов рассеяния, возникающих при этом, называют вынужденным рассеянием. Эти явления изучает нелинейная оптика.

В идеально однородной среде вторичные волны, испускаемые любыми точками этой среды, гасят друг друга вследствие интерференции и свет будет распространяться в первоначальном направлении. Таким образом, однородность среды и когерентность вторичных волн – необходимые условия отсутствия рассеяния.

Лекционный эксперимент: через кювету с чистой водой пропускают луч лазера. Наблюдение особенности индикатрисы рассеяния: рассеянный свет заметен даже в чистой воде при наблюдении под малым углом к лучу лазера. Рассеяние при наблюдении в направлении перпендикулярном лучу незначительно.

Введение в воду рассеивающих центров (капля одеколона, молока) резко увеличивает интенсивность рассеянного света. На выходе кюветы при этом можно видеть пятно рассеяния. При наблюдении рассеянного света через поляризатор можно убедиться, что рассеянный свет линейно поляризован.

Индикатрису рассеяния выражают формулой:

, (*)

где θ – угол рассеяния. Пространственная индикатриса рассеяния получается вращением кривой (*) вокруг оси θ = 0.

Рис.1. Индикатриса рассеяния света частицами, малыми по сравнению с длиной волны света.

Релей (1899) рассчитал интенсивность света рассеянного на сферических частицах объема V с концентрацией n и получил следующую формулу:

.

Формула Релея описывает указанную выше индикатрису рассеяния и предсказывает, что интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Релея). Она объясняет голубой цвет неба, однако этот цвет не связан с наличием пыли в атмосфере. Цвет неба при наблюдении высоко в горах, где в воздухе отсутствует пыль, становится еще более насыщенным голубым.

Физическая причина, объясняющая рассеяние в чистом веществе, состоит в том, что в силу статистической природы теплового движения молекул среды в ней неизбежно возникают флуктуации плотности. Флуктуации плотности частиц приводят к локальному изменению показателя преломления среды, то есть представляют собой оптические неоднородности. Теория молекулярного рассеяния света развита Эйнштейном в 1910 г. Формула Эйнштейна аналогична формуле Релея. Константа формуле дополнительно включает градиент показателя преломления по плотности газа (ρ∂ε /∂ρ).

Во время заката и восхода в силу закона Релея прямые лучи красного света, идущие от Солнца ослабляются в атмосфере значительно слабее синих. Поэтому ореол вокруг солнца - красный

Дата добавления: 2014-01-13