іспит - 35
3.9. Розсіювання світла
3.9.1. Природа розсіювання.
Зміна характеристики потоку оптичного випромінювання за його взаємодії з речовиною називають розсіюванням світла.
Процес розсіювання світла (електромагнітних хвиль) полягає в запозиченні молекулою або частинкою енергії у електромагнітної хвилі, що розповсюджується в середовищі, і випромінюванні цієї енергії в тілесний кут, вершиною якого є розглянута частка. Молекула або частка фізично однаково розсіює світло, проте механізм цього
Розсіювання залежить від розмірів частинки.
У багатьох випадках виявляється
достатнім опис розсіювання світла в
рамках хвильової теорії випромінювання З точки зору цієї теорії електричне поле розповсюджується в речовині світлової хвилі розгойдує ті, що входять до складу
атомів і молекул електрони, і вони стають центрами вторинних сферичних хвиль, що випромінюються у всі
сторони. Тому поширення світла в речовині має, здавалося б, завжди супроводжуватись розсіюванням. Однак у прозорому однорідному середовищі плоска хвиля поширюється лише одному напрямі, не відчуваючи розсіювання в сторони. Такий результат складання всіх вторинних хвиль обумовлений їхньою когерентністю.
З макроскопічної погляду розсіювання світла може бути зумовлено лише неоднорідностями середовища. При слабких порушеннях однорідності розсіяне убік світло становить лише малу частку первинного пучка. Паралельний пучок світла високоякісному склі чи ретельно очищеної воді майже видно при спостереженні збоку, тобто. світло майже не розсіюється убік. У той же час пучок світла виразно видно з усіх боків, якщо у воді містяться дрібні бульбашки повітря або крапельки іншої нерозчинноїрідини, що у зваженому стані. Розсіювання світла відбувається і тоді, коли самі частки мають розміри, менші за довжину хвилі видимого світла. Такі середовища називають каламутними. Основні закономірності розсіювання світла в каламутних середовищах були вперше експериментально досліджені Тіндалем у 1869 р. ( Джон Тіндаль, англійський фізик,
Як приклад, розглянемо легко доступний для відтворення досвід. У скляну кювету, заповнену водою, додають кілька крапель молока. При спостереженні збоку розсіяне світло має блакитніший відтінок, ніж світло джерела; світло, що пройшло крізь кювету, має при достатній її товщині червоний відтінок.
Якщо середовище може розглядатися як безперервне, то розсіювання відбуватиметься на його оптичних неоднорідностях. У цьому випадку діелектрична проникність середовища (показник заломлення) є
функцією координат ε = ε (r r) або n = n (r r). Тоді електромагнітна хвиля в середовищі r визначатиметься
суперпозицією падаючої та розсіяної хвиль: E = E 0 + E ′ і H = H 0 + H ′. Для суцільного середовища
розсіювання за своїм фізичним змістом зводиться до дифракції хвиль на неоднорідності середовища. Досвід показує, що розсіювання світла відбувається не тільки в каламутних середовищах, а й ретельно.
очищених від сторонніх домішок або включень рідин і газів. Розсіяння в чистій речовині, як правило, слабке, проте воно є принципово важливим явищем. Фізична причина оптичної неоднорідності в ідеально чистих середовищах була вказана польським фізиком М. Смолуховським у 1908 р. ( Маріан Смолуховський, польський фізик,
хаотичного характеру теплового руху молекул у середовищі виникають флуктуації щільності та, отже, флуктуації показника заломлення. Такий типрозсіювання світла називають молекулярним.
Пружне розсіювання, тобто. таке, при якому розсіяне світло характеризується тією самою частотою, що і падаюче випромінювання. Розрізняють кілька типів розсіювання, при цьому характер розсіювання залежить від співвідношення між довжиною хвилі світла і лінійним розміром частинок a .
1) Релеєвське розсіювання - розміри частинок малі в порівнянні з довжиною хвилі: a ≤ 15 1 λ. Це зазвичай розсіювання в каламутних середовищах.
2) Якщо a > 15 1 λ - розсіювання Мі (Густав Адольф Мі, німецький фізик,
3) Розсіяння на оптичних неоднорідностях – тут багато різних випадків. Серед них, наприклад, важливий випадок розсіювання оптичних неоднорідностях, створюваних звуковою хвилею. Тобто. під її впливом виникає гармонійний розподіл оптичної неоднорідності. У результаті спостерігається дифракція світла хвилі, у своїй спостерігається зміна частоти дифрагированного світла. Це – явище Мандельштама – Бріллюена ( Леонід Ісаакович Мандельштам, радянський фізик, Леон Бріллюен, французький фізик, – нагадує (і є наслідком) доплерівської зміни частоти при відображенні від акустичної хвилі.
4) Специфічне розсіювання – комбінаційне розсіювання або Раманівське розсіювання (Чандрасекхара Венката Раман, індійський фізик, характеризується зміною частоти розсіяного світла порівняно з падаючим. Це розсіювання має квантовий характер.
5) Можна виділити багаторазове розсіювання – розсіювання у кожному з послідовних актів здійснюється за законами одноразового розсіювання. Результат – розглядається як сума результатів одноразових розсіянь з урахуванням статистичних характеристик їхнього прямування один за одним.
3.9.2. Елементарний розсіювач.
Елементарним розсіювачем є квазіпружнийелектрон у полі електромагнітної хвилі. У §3.6 ми вже розглядали його поведінку та отримали для усунення формулу (3.6.6):