|
4. Рассеяние света
С классической точки зрения (электронная теория дисперсии) процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходящий через вещество, вызывает колебания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны возбуждают внутренние волны, распространяющиеся по всем направлениям. Это явление, казалось бы, должно при всех условиях приводить к рассеиванию света. Однако вторичные волны являются когерентными, т.ч. необходимо учесть их взаимную интерференцию.
Соответствующий расчет дает, что в случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны. Поэтому перераспределения света по направлениям, т.е. рассеивания света, не происходит.
Только при распространении света в неоднородной среде вторичные волны не погашают друг друга в боковых направлениях. Световые волны, дифрагируя на неоднородностях среды, дают дифракционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распространением интерференции по всем направлениям. Такую дифракцию на мелких неоднородностях называют рассеянием света, т.е. преобразованием света веществом, сопровождающимся изменением распространения света и свечением вещества.
Среды с явно выраженной оптической неоднородностью за счет присутствия в среде инородных малых частиц называют мутными средами. К их числу относят:
догмы, т.е. взвеси в газах мельчайших твердых частиц;
туманы – взвеси в газах мельчайших капелек жидкости;
взвеси суспензии, образованные плавающими в жидкости твердыми частичками;
эмульсии, т.е. взвеси мельчайших капелек одной жидкости в другой, не растворяющей первую (например, молоко: взвесь капелек жира в воде);
твердые тела: перламутры, опалы, молочные стекла и т.д.
Рассеяние в этом случае называют рассеиванием света в мутной среде.
Если рассеивание света происходит в оптически неоднородной среде, показатель преломления которой нерегулярно изменяется от точки к точке вследствие флуктуаций плотности среды, то говорят о молекулярном рассеивании.
В результате рассеяния света в боковых направлениях интенсивность в направлении распространения убывает быстрее, чем в случае одного лишь поглощения. Поэтому для мутного вещества в выражении закона Бугера, наряду с коэффициентом поглощения χ, должен стоять добавочный коэффициент χ’, обусловленный рассеиванием:
,
постоянная χ’ называется коэффициентом экстинкции.
Если размеры неоднородностей малы по сравнению с λ (не более ), интенсивность рассеянного света
– закон Рэлея.
Происхождение этого выражения легко понять, если учесть, что мощность излучения колеблющегося заряда и : , где - средняя мощность излучения диполя, – амплитуда электронного момента диполя на частоту.
Проявление закона Рэлея легко наблюдать, пропуская пучок белого света через сосуд с мутной жидкостью. Вследствие рассеяния след пучка в жидкости хорошо виден сбоку, причем, т.к. короткие световые волны рассеиваются гораздо сильнее длинных, этот след представляется голубоватый. Прошедший через жидкость пучок оказывается обогащенным длинноволновым излучением и образует на экране не белое, а красновато-желтое пятно. Поставив на входе пучка в сосуд поляризатор, можно обнаружить, что интенсивность рассеянного света в различных направлениях, перпендикулярных к первичному пучку, не одинакова.
Даже тщательно очищенные от посторонних примесей и загрязнений жидкости и газы в некоторой степени рассеивают свет.
Мандельштам и Смолуховский установили, что причиной появления оптических неоднородностей является в этом случае флуктуацией плотности (т.е. наблюдения в пределах малых объёмов отклонения плотности от ее среднего значения). Эти флуктуации вызваны беспорядочным движением молекул вещества; поэтому обусловленное ими рассеяние света называют молекулярным.
Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба. Непрерывно возникающие в атмосфере, из-за беспорядочного молекулярного движения, места сгущения и разрежения воздуха рассеивают солнечный свет.
При этом, согласно закону Рэлея, голубые и синие лучи рассеиваются сильнее, чем желтые и красные, обуславливая голубой цвет неба. Когда Солнце находится низко над горизонтом, исходящие от него лучи проходят большую толщу рассеивающей среды, в результате чего, они оказываются обогащенными большими длинами волн. По этой причине небо на заре окрашивается в красные тона.
Особенно благоприятные условия для возникновения значимых флуктуаций плотности имеются вблизи критического состояния вещества (в критической точке ). Эти флуктуации приводят к столь интенсивному рассеянию света, что на просвет стеклянная ампула с веществом кажется совершенно чёрной. Это явление называют критической опалесценцией.
Демонстрация перехода жидкости и пара в критическое состояние (ампула с эфиром, tкритич.=194°C, pкритич.=36 ат):
Do'stlaringiz bilan baham: |
