Розсіяння світла
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Розсіяння світла

Розсіяння світла, зміна характеристик потоку оптичного випромінювання (світла) при його взаємодії з речовиною. Цими характеристиками можуть бути просторовий розподіл інтенсивності, частотний спектр, поляризація світла . Часто Р. с. називається лише обумовлене просторовою неоднорідністю середовища зміна напряму поширення світла, що сприймається як невласне свічення середовища.

загрузка...

  Послідовний опис Р. с. можливо в рамках квантової теорії взаємодії випромінювання з речовиною, заснованою на квантовій електродинаміці і квантових уявленнях про будову речовини. У цій теорії одиничний акт Р. с. розглядається як поглинання часткою речовини падаючого фотона з енергією w, імпульсом ( кількістю руху ) до і поляризації m, а потім випускання фотона з енергією w, імпульсом k'' і поляризацією m ''. Тут  — Планка постійна, w і w'' — частоти фотонів, кожна з величин до і k'' — хвилевий вектор . Якщо енергія випущеного фотона дорівнює енергії поглиненого (w = w''), Р. с. називається релєєвським, або пружним. При w ¹ w '' Р. с. супроводиться перерозподілом енергії між випромінюванням і речовиною і його називають непружним.

  У багатьох випадках виявляється достатнім опис Р. с. в рамках хвилевої теорії випромінювання (див. Випромінювання, Оптика ). З точки зору цієї теорії (званою класичною), падаюча світлова хвиля збуджує в частках середовища вимушені коливання електричних зарядів («струми»), які стають джерелами вторинних світлових хвиль. При цьому визначальну роль грає інтерференція світла між падаючою і вторинними хвилями (див. нижчий).

  Кількісною характеристикою Р. с. і при класичному, і при квантовому описі є диференціальний переріз розсіяння d s, визначуване як відношення потоку випромінювання dl, розсіяного в малий елемент тілесного кута d W, до величини падаючого потоку l 0 : d s = dl / l 0 . Повний переріз розсіяння s є сума d s по всіх d W (перетин вимірюють зазвичай в см 2 ) . При пружному розсіянні можна вважати, що s розмір майданчика, «не проникного світло» у напрямі його первинного поширення (див. Ефективний поперечний переріз ). При класичному описі Р. с. часто користуються матрицею розсіяння, що зв'язує амплітуди падаючої і розсіяних по всіляких напрямах світлових хвиль і що дозволяє врахувати зміну стану поляризації розсіяного світла. Неповною, але наочною характеристикою Р. с. служить індикатриса розсіяння — крива, що графічно відображує відмінність в інтенсивностях світла, розсіяного у різних напрямах.

  Унаслідок великої кількості і різноманітності чинників, що визначають Р. с., вельми важко розвинути одночасно єдиний і детальний спосіб його опису для різних випадків. Тому розглядають ситуації, що Ідеалізуються, з різною мірою адекватності самому явищу.

  Р. с. окремим електроном з великою точністю є пружним процесом. Його перетин не залежить від частоти (т.з. томсоновськоє Р. с.) і рівне s = (8p/3) r 2 0 = 6,65×10 —25 см 2 ( r 0 = e 2 / mc 2 — т.з. класичний радіус електрона, багато менший довжини хвилі світла; е і m — заряд і маса електрона; з — швидкість світла у вакуумі). Індикатриса розсіяння неполяризованого світла в цьому випадку така, що вперед або назад (під кутами 0° і 180°) розсівається удвічі більше світла, чим під кутом 90°. Р. с. окремими електронами — процес, звичайний в астрофізичній плазмі ; зокрема, воно відповідальне за багато явищ в сонячній короні і коронах ін. зірок.

  Основна особливість Р. с. окремим атомом — сильна залежність перетину розсіяння від частоти. Якщо частота w падаючого світла мала в порівнянні з частотою w 0 власних коливань атомних електронів (атомній лінії поглинання), то s ~ w 4 , або l —4 (l довжина хвилі світла). Ця залежність, знайдена на основі уявлення про атом як про електричний диполі, що коливається в полі світлової хвилі, називається Релея законом . Поблизу атомних ліній (w » w 0 ) перетину різко зростають, досягаючи в резонансі (w = w 0 ) дуже великих значень s » l 2 ~ 10 —10 см 2 . Унаслідок ряду особливостей резонансного Р. с. воно носить спеціальну назву резонансної флуоресценції. Індикатриса розсіяння неполяризованого світла атомами аналогічна описаною для вільних електронів. Р. с. окремими атомами спостерігається в розріджених газах.

  При Р. с. молекулами поряд з релєєвськимі (незміщеними) лініями в спектрі розсіяння з'являються, на відміну від випадку атомарного Р. с., лінії непружного Р. с. (зміщені по частоті). Відносить. зсуви ÷w — w''ú/w ~ 10 -3 —10 -5 , а інтенсивність зміщених ліній складає лише 10 -3 —10 -6 інтенсивності релєєвськой. Про непружний Р. с. молекулами див.(дивися) Комбінаційне розсіяння світла .

  Р. с. дрібними частками обумовлює широкий клас явищ, які можна описати на основі теорії дифракція світла на діелектричних частках. Багато характерних особливостей Р. с. частками удається прослідити в рамках строгої теорії розробленою для сферичних часток англійським ученим А. Лявом (1889) і німецьким ученим Г. Мі (1908, теорія Мі). Коли радіус кулі r багато менше довжини хвилі світла l n в його речовині, Р. с. на нім аналогічно нерезонансному Р. с. атомом. Перетин (і інтенсивність) Р. с. в цьому випадку сильно залежить від r і від різниці діелектричної проникності e і e 0 речовини кулі і довкілля: s ~ l n —4 r 6 (e - e 0 )(Релей, 1871). Із збільшенням r до r ~ l n і більш (за умови e > 1) в індикатрисі розсіяння з'являються різкі максимуми і мінімуми — поблизу т.з. резонансів Мі (2 r = m l n , m = 1, 2, 3...) перетину сильно зростають і стають рівними 6p r 2 , розсіяння вперед посилюється, назад — слабшає; залежність поляризації світла від кута розсіяння значно ускладнюється.

  Р. с. великими частками ( r >> l n ) розглядають на основі законів геометричної оптики з врахуванням інтерференції променів, відбитих і заломлених на поверхнях часток. Важлива особливість цього випадку — періодичний (по куту) характер індикатриси розсіяння і періодична залежність перетину від параметра r /l n . Р. с. на крупних частках обумовлює ореоли, веселки, гало і ін. явища, що відбуваються в аерозолях, туманах і пр.

  Р. с. середовищами, що складаються з великого числа часток, істотно відрізняється від Р. с. окремими частками. Це зв'язано, по-перше, з інтерференцією хвиль, розсіяних окремими частками, між собою і з падаючою хвилею. По-друге, у багатьох випадках важливі ефекти багатократного розсіяння (перєїзлученія), коли світло, розсіяне однією часткою, знов розсівається іншими. По-третє, взаємодія часток один з одним не дозволяє вважати їх рухи незалежними.

  Л. І. Мандельштам показав (1907), що принципово необхідним для Р. с. в суцільному середовищі є порушення її оптичної однорідності, при якому заломлення показник середовища не постійний, а міняється від крапки до крапки. У безмежному і повністю однорідному середовищу хвилі, пружно розсіяні окремими частками по всіх напрямах, не співпадаючих з напрямом первинної хвилі, взаємно «гасяться» в результаті інтерференції. Оптичними неоднородностямі (окрім кордонів середовища) є включення чужорідних часток, а при їх відсутності — флуктуації щільності, анізотропії і концентрації, які виникають через статистичну природу теплового руху часток.

  Якщо фаза розсіяної хвилі однозначно визначається фазою падаючої хвилі, Р. с. називається когерентним, інакше — некогерентним. За історичною традицією Р. с. окремою молекулою (атомом) часто називається когерентним, якщо воно релєєвськоє, і некогерентним, якщо воно непружне. Таке ділення умовне: релєєвськоє Р. с. може бути некогерентним процесом так само, як і комбінаційне. Строге рішення питання про когерентність при Р. с. тісно пов'язано з поняттям квантової когерентності і статистикою випромінювання. Різка відмінність в просторовому розподілі когерентно і некогерентний розсіяного світла обумовлено тим, що при некогерентному Р. с. унаслідок нерегулярного, випадкового розподілу неоднородностей в середовищі фази вторинних хвиль випадкові по відношенню один до одного; тому при інтерференції не відбувається повного взаємного гасіння хвиль, що поширюються в довільному напрямі.

  Вперше на Р. с. тепловими флуктуаціями (його називають молекулярним Р. с.) вказав М. Смолуховський в 1908. Він розвинув теорію молекулярного Р. с. розрідженими газами, в яких положення кожної окремої частки можна з хорошою мірою точність рахувати не залежним від положень ін. часток, що і є причиною випадковості фаз хвиль, розсіяних кожною часткою. Взаємодією часток між собою у ряді випадків можна нехтувати. Це дозволяє вважати, що інтенсивність світла, некогерентний розсіяного колективом часток, є проста сума інтенсивностей світла, розсіяного окремими частками. Сумарна інтенсивність пропорційна щільності газу. У оптичних тонких середовищах (див. Оптична товщина ) Р. с. зберігає багато меж, властивих Р. с. окремими молекулами (атомами). [У оптично щільних середовищах надзвичайно істотним стає багатократне розсіяння (перєїзлученіє)]. Так, в атмосфері Землі перетин розсіяння сонячного світла на флуктуаціях щільності характеризується тією ж залежністю s ~ l —4 , що і нерезонансне Р. с. окремими частками. Цим пояснюється блакитний колір піднебіння: високочастотну (блакитну) складову спектру променів Сонця атмосфера розсіює набагато сильніше, ніж низькочастотну (червону). Вельми складна картина Р. с. при резонансній флуоресценції, коли в об'ємі l 3 знаходиться велике число часток. У цих умовах колективні ефекти стають такими, що визначають; Р. с. може відбуватися за незвичайним для газу типом, наприклад набуваючи характеру металевого віддзеркалення від поверхні газу. Повна теорія резонансної флуоресценції не розроблена.

  Молекулярне Р. с. чистими, без домішок, твердими і рідкими середовищами відрізняється від нерезонансного Р. с. газами унаслідок колективного характеру флуктуацій показника заломлення (обумовлених флуктуаціями щільності і температури середовища за наявності досить сильної взаємодії часток один з одним). Теорію пружного Р. с. рідинами розвинув в 1910, виходячи з ідей Смолуховського, А. Ейнштейн . Ця теорія грунтувалася на припущенні, що розміри оптичних неоднородностей в середовищі малі в порівнянні з довжиною хвилі світла. Поблизу критичних точок (див. Критичний стан ) фазових переходів інтенсивність флуктуацій значно зростає і розміри областей неоднородностей стають порівнянні з довжиною хвилі світла, що приводить до різкого посилення Р. с. середовищем — опалесценциі критичної, ускладненою явищем перєїзлученія.

  В розчинах додатковою причиною Р. с. є флуктуації концентрації; на поверхні розділу двох рідин, що не змішуються, — флуктуації цієї поверхні (Л. І. Мандельштам, 1913). Поблизу критичних крапок (крапки осадження в 1-м-коді випадку, точки розшарування — в 2-м-коді) виникають явища, родинні критичні опалесценциі.

  Рух областей неоднородностей середовища приводить до появи в спектрах Р. с. зміщених по частоті ліній. Типовим прикладом може служити Р. с. на пружних хвилях щільності> ( гіперзвуку ), детально описане в ст. Мандельштама — Бріллюена розсіяння .

  Все сказане вище відносилося до Р. с. порівняно малій інтенсивності. У 60—70-і рр. 20 ст після створення надпотужних джерел оптичного випромінювання вузького спектрального складу ( лазерів ) стало можливим вивчення розсіяння надзвичайно сильних світлових потоків, якому виявилися властиві характерні відмінності. Так наприклад, при резонансному розсіянні сильного монохроматичного світла на окремому атомі замість релєєвських ліній з'являються дублети (в даному випадку світло розсівається атомом, стан якого вже змінений дією сильного електромагнітного поля). Ін.(Древн) особливість розсіяння сильного світла полягає в інтенсивному характері т.з. вимушених процесів в речовині, що різко міняють характеристики Р. с. Детально про цьому див.(дивися) в ст. Вимушене розсіяння світла і Нелінійна оптика .

  Явище Р. с. надзвичайно широко використовується при найрізноманітніших дослідженнях у фізиці, хімії, в різних областях техніки. Спектри Р. с. дозволяють визначати молекулярні і атомні характеристики речовин, їх пружні, релаксаційні і ін. постійні. У ряді випадків ці спектри є єдиним джерелом інформації про заборонені переходи (див. Заборонені лінії ) в молекулах. На Р. с. засновано багато методів визначення розмірів, а інколи і форми дрібних часток, що особливо важливе, наприклад, при вимірі видимості атмосферною і при дослідженні полімерних розчинів (див. Нефелометрія, Турбідиметрія ). Процеси вимушеного Р. с. лежать в основі т.з. активній спектроскопії і широко використовуються в лазерах з перебудовуваною частотою.

  Літ.: Ландсберг Р. С., Оптика 4 видавництва, М., 1957 (Загальний курс фізики, т. 3); Волькештейн М. Ст, Молекулярна оптика, М. — Л., 1951; Хюлст Р., Розсіяння світла малими частками, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1961; Фабелінський І. Л., Молекулярне розсіяння світла, М., 1965; Пантел Р., Путхов Р., Основи квантової електроніки, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1972.

  С. Р. Пржібельський.