Рассеяние света

Рассеянием света называется процесс преобразования света веществом, сопровождающийся изменением пространственного распределения, частоты, поляризации оптического излучения и проявляющийся как несобственное свечение вещества. Если частота рассеянного света совпадает с частотой падающего света, то рассеяние называется упругим. В случае различия частот говорят о неупругом рассеянии.

Частицы вещества в процессе вынужденных колебаний электронов, возбуждаемых падающим излучением, становятся источником вторичного рассеянного излучения. Это следует из того, что электрон, движущийся с ускорением, излучает электромагнитную волну (см. § 42). Вторичные волны, переизлучаемые частицами среды, интерферируют, при этом результат интерференции существенно зависит от соотношения длины волны и размеров частиц. Анализ показывает, что если среда идеально однородная, то вторичные волны в результате интерференции гасят друг друга по всем направлениям, кроме первоначального, т. е. в идеально однородной среде излучение не рассеивается. Таким образом, рассеяние может возникать только в оптически неоднородной среде, показатель преломления которой нерегулярно изменяется от точки к точке. Примерами таких сред могут служить так называемые мутные среды – аэрозоли (дым, туман), эмульсии, матовые стекла и т. п., содержащие мелкие частицы, показатель преломления которых отличается от показателя преломления окружающей среды.

Если в неоднородной среде расстояние между неоднородностями много больше длины волны излучения, то эти неоднородности ведут себя как независимые вторичные источники излучения. Излучаемые ими вторичные волны являются некогерентными и при наложении не интерферируют. Поэтому такая среда рассеивает свет по всем направлениям.

Рассеяние света в мутных средах с размерами неоднородностей, не превышающими 0,2 мкм, называется явлением Тиндаля. Его можно наблюдать, например, при прохождении яркого пучка света через слой воздуха, содержащий мелкие частицы дыма, или через сосуд с водой, в которую добавлено немного молока, содержащего мелкие капельки жира. При освещении мутной среды белым светом рассеянный свет при наблюдении сбоку имеет голубоватый оттенок. Наоборот, в свете, прошедшем через достаточно толстый слой мутной среды, начинает преобладать длинноволновое излучение, так что в проходящем свете среда кажется красноватой. Эта закономерность была объяснена в теории рассеяния света на мелких сферических частицах, разработанной Д. Рэлеем в 1899 г. Он показал, что интенсивность света, рассеянного такой частицей, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны:

По мере увеличения размеров неоднородностей закон Рэлея все более нарушается.

Рассеяние света наблюдается также в чистых средах, не содержащих каких-либо примесей (например, в газах и жидкостях). Оно называется молекулярным рассеянием и обусловлено, как впервые предположил М. Смолуховский, флуктуациями плотности вещества, возникающими в процессе хаотического теплового движения молекул. В 1910 г. А. Эйнштейн разработал теорию молекулярного рассеяния света, которая привела к тем же результатам, что и теория Рэлея. Молекулярным рассеянием в земной атмосфере солнечного света объясняется голубой цвет неба. По тем же причинам при восходе и закате солнечный свет, прошедший сквозь значительную толщу атмосферы, приобретает красно-оранжевый цвет.

Рассеяние света

изменение характеристик потока оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света) при его взаимодействии с веществом. Этими характеристиками могут быть пространственное распределение интенсивности, частотный спектр, Поляризация света . Часто Р. с. называется только обусловленное пространственной неоднородностью среды изменение направления распространения света, воспринимаемое как несобственное свечение среды.

Последовательное описание Р. с. возможно в рамках квантовой теории взаимодействия излучения с веществом, основанной на квантовой электродинамике (См. Квантовая электродинамика) и квантовых представлениях о строении вещества. В этой теории единичный акт Р. с. рассматривается как поглощение частицей вещества падающего Фотон а с энергией ħ ω, импульсом (количеством движения (См. Количество движения)) ħk и поляризацией μ, а затем испускание фотона с энергией ħ ω, импульсом ħk" и поляризацией μ". Здесь ħ - Планка постоянная, ω и ω" - частоты фотонов, каждая из величин k и k" - Волновой вектор . Если энергия испущенного фотона равна энергии поглощённого (ω= ω"), Р. с. называется рэлеевским, или упругим. При ω ≠ ω" Р. с. сопровождается перераспределением энергии между излучением и веществом и его называют неупругим.

Во многих случаях оказывается достаточным описание Р. с. в рамках волновой теории излучения (см. Излучение , Оптика). С точки зрения этой теории (называемой классической), падающая световая волна возбуждает в частицах среды Вынужденные колебания электрических зарядов («токи»), которые становятся источниками вторичных световых волн. При этом определяющую роль играет Интерференция света между падающей и вторичными волнами (см. ниже).

Количественной характеристикой Р. с. и при классическом, и при квантовом описании является дифференциальное сечение рассеяния d σ, определяемое как отношение потока излучения (См. Поток излучения) dl, рассеянного в малый элемент телесного угла d Ω, к величине падающего потока l 0: d σ = dl / l 0 . Полное сечение рассеяния σ есть сумма d σ по всем d Ω (сечение измеряют обычно в см 2). При упругом рассеянии можно считать, что σ - размер площадки, «не пропускающей свет» в направлении его первоначального распространения (см. Эффективное поперечное сечение). При классическом описании Р. с. часто пользуются матрицей рассеяния, связывающей амплитуды падающей и рассеянных по всевозможным направлениям световых волн и позволяющей учесть изменение состояния поляризации рассеянного света. Неполной, но наглядной характеристикой Р. с. служит Индикатриса рассеяния - кривая, графически отображающая различие в интенсивностях света, рассеянного в разных направлениях.

Вследствие обилия и разнообразия факторов, определяющих Р. с., весьма трудно развить одновременно единый и детальный способ его описания для различных случаев. Поэтому рассматривают Идеализированные ситуации с разной степенью адекватности самому явлению.

Р. с. отдельным электроном с большой точностью является упругим процессом. Его сечение не зависит от частоты (т. н. томсоновское Р. с.) и равно σ = (8π/3) r 2 0 = 6,65․10 -25 см 2 (r 0 = e 2 /mc 2 - т. н. классический радиус электрона, много меньший длины волны света; е и m - заряд и масса электрона; с - Скорость света в вакууме). Индикатриса рассеяния неполяризованного света в этом случае такова, что вперёд или назад (под углами 0° и 180°) рассеивается вдвое больше света, чем под углом 90°. Р. с. отдельными электронами - процесс, обычный в астрофизической плазме (См. Плазма); в частности, оно ответственно за многие явления в солнечной короне (См. Солнечная корона) и коронах др. звёзд.

Основная особенность Р. с. отдельным атомом - сильная зависимость сечения рассеяния от частоты. Если частота ω падающего света мала по сравнению с частотой ω 0 собственных колебаний атомных электронов (атомной линии поглощения), то σ Рассеяние света ω 4 , или λ -4 (λ - длина волны света). Эта зависимость, найденная на основе представления об атоме как об электрическом диполе (См. Диполь), колеблющемся в поле световой волны, называется Рэлея закон ом. Вблизи атомных линий (ω ≈ ω 0) сечения резко возрастают, достигая в резонансе (ω = ω 0) очень больших значений σ ≈ λ 2 Рассеяние света 10 -10 см 2 . Вследствие ряда особенностей резонансного Р. с. оно носит специальное название резонансной флуоресценции. Индикатриса рассеяния неполяризованного света атомами аналогична описанной для свободных электронов. Р. с. отдельными атомами наблюдается в разреженных газах.

При Р. с. молекулами наряду с рэлеевскими (несмещенными) линиями в спектре рассеяния появляются, в отличие от случая атомарного Р. с., линии неупругого Р. с. (смещенные по частоте). Относит. смещения)ω - ω"|/ω Рассеяние света 10 -3 -10 -5 , а интенсивность смещенных линий составляет лишь 10 -3 -10 -6 интенсивности рэлеевской. О неупругом Р. с. молекулами см. Комбинационное рассеяние света .

Р. с. мелкими частицами обусловливает широкий класс явлений, которые можно описать на основе теории дифракции света (См. Дифракция света) на диэлектрических частицах. Многие характерные особенности Р. с. частицами удаётся проследить в рамках строгой теории, разработанной для сферических частиц английским учёным А. Лявом (1889) и немецким учёным Г. Ми (1908, теория Ми). Когда радиус шара r много меньше длины волны света λ n в его веществе, Р. с. на нём аналогично нерезонансному Р. с. атомом. Сечение (и интенсивность) Р. с. в этом случае сильно зависит от r и от разности диэлектрических проницаемостей (См. Диэлектрическая проницаемость) ε и ε 0 вещества шара и окружающей среды: σ Рассеяние света λ n -4 r 6 (ε - ε 0)(Рэлей, 1871). С увеличением r до r Рассеяние света λ n и более (при условии ε > 1) в индикатрисе рассеяния появляются резкие максимумы и минимумы - вблизи т. н. резонансов Ми (2r = m λ n , m = 1, 2, 3,...) сечения сильно возрастают и становятся равными 6πr 2 , рассеяние вперёд усиливается, назад - ослабевает; зависимость поляризации света от угла рассеяния значительно усложняется.

Р. с. большими частицами (r >> λ n ) рассматривают на основе законов геометрической оптики (См. Геометрическая оптика) с учётом интерференции лучей, отражённых и преломленных на поверхностях частиц. Важная особенность этого случая - периодический (по углу) характер индикатрисы рассеяния и периодическая зависимость сечения от параметра r /λ n . Р. с. на крупных частицах обусловливает Ореол ы, радуги (См. Радуга), Гало и др. явления, происходящие в аэрозолях (См. Аэрозоли), туманах и пр.

Р. с. средами, состоящими из большого числа частиц, существенно отличается от Р. с. отдельными частицами. Это связано, во-первых, с интерференцией волн, рассеянных отдельными частицами, между собой и с падающей волной. Во-вторых, во многих случаях важны эффекты многократного рассеяния (переизлучения), когда свет, рассеянный одной частицей, вновь рассеивается другими. В-третьих, взаимодействие частиц друг с другом не позволяет считать их движения независимыми.

Явление Р. с. чрезвычайно широко используется при самых разнообразных исследованиях в физике, химии, в различных областях техники. Спектры Р. с. позволяют определять молекулярные и атомные характеристики веществ, их упругие, релаксационные и др. постоянные. В ряде случаев эти спектры являются единственным источником информации о запрещенных переходах (см. Запрещенные линии) в молекулах. На Р. с. основаны многие методы определения размеров, а иногда и формы мелких частиц, что особенно важно, например, при измерении видимости атмосферной (См. Видимость атмосферная) и при исследовании полимерных растворов (см. Нефелометрия , Турбидиметрия). Процессы вынужденного Р. с. лежат в основе т. н. активной спектроскопии и широко используются в лазерах с перестраиваемой частотой.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Волькештейн М. В., Молекулярная оптика, М. - Л., 1951; Хюлст Г., Рассеяние света малыми частицами, пер. с англ., М., 1961; Фабелинский И. Л., Молекулярное рассеяние света, М., 1965; Пантел Р., Путхов Г., Основы квантовой электроники, пер. с англ., М., 1972.

С. Г. Пржибельский.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Рассеяние света" в других словарях:

Изменение к. л. хар ки потока оптического излучения (с в е т а) при его вз ствии с в вом. Этими хар ками могут быть пространств. распределение интенсивности, частотный спектр, поляризация света. Часто Р. с. наз. только явление несобств. свечения… … Физическая энциклопедия

В оптическом волокне Рассеяние света рассеяние электромагнитных волн видимого диапазона при их взаимодействии с веществом. При этом происходит … Википедия

Отклонения распространяющегося в среде светового пучка во всевозможных направлениях. Рассеяние света обусловлено неоднородностью среды и взаимодействием света с частицами вещества, при котором меняются пространственное распределение интенсивности … Большой Энциклопедический словарь

Современная энциклопедия

Рассеяние света - РАССЕЯНИЕ СВЕТА, отклонение распространяющегося в среде светового пучка во всевозможных направлениях. Свет рассеивается на неоднородностях среды, на частицах и молекулах, при этом меняется пространственное распределение интенсивности, частотный… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

рассеяние света - Явление, при котором распространяющийся в среде направленный световой пучок отклоняется по всевозможным направлениям. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая оптика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 … Справочник технического переводчика

Приведенные выше примеры помогут нам понять одно явление, которое возникает в воздухе в результате неупорядоченного расположения атомов. В главе о показателе преломления мы говорили, что падающий свет вызывает излучение атомов. Электрическое поле падающего пучка раскачивает электроны вверх и вниз, и они, двигаясь с ускорением, начинают излучать. Это рассеянное излучение образует лучок света, движущийся в том же направлении, что и падающий луч, но отличающийся от него по фазе, благодаря чему и возникает показатель преломления.

Но что можно сказать об интенсивности рассеянного света в других направлениях? Если атомы очень правильно чередуются, образуя красивый геометрический узор, интенсивность во всех остальных направлениях равна нулю, потому что результат сложения множества векторов с меняющимися фазами сводится к нулю. Но если расположение атомов беспорядочное, интенсивность в любом направлении, как мы уже говорили, равна сумме интенсивностей от каждого атома в отдельности. Более того, атомы газа постоянно движутся, и разность фаз двух атомов, принимающая определенное значение в некоторый момент времени, в следующий момент уже изменится, поэтому при усреднении по времени исчезает каждый перекрестный член в отдельности. Следовательно, для определения интенсивности света, рассеянного газом, можно взять рассеяние на одном атоме и умножить интенсивность на число атомов.

Как уже отмечалось, голубой цвет неба объясняется именно рассеянием света в воздухе. Солнечный свет проходит сквозь воздух, и, когда мы смотрим в сторону от Солнца, например перпендикулярно падающему лучу, мы видим свет голубой окраски; попробуем теперь подсчитать интенсивность рассеянного света и понять, почему он голубой.

Падающий луч света с напряженностью электрического поля в точке расположения атома, как известно, заставляет электрон колебаться вверх и вниз (фиг. 32.2). С помощью уравнения (23.8) находим амплитуду колебаний

(32.15)

Фигура 32.2. Луч, падающий на атом, заставляет заряды (электроны) атома колебаться. Движущиеся электроны в свою очередь излучают во все стороны

В принципе можно учесть затухание и ввести сумму по частотам, считая, что атом действует как совокупность осцилляторов с разными частотами. Однако для простоты ограничимся случаем одного осциллятора и пренебрежем затуханием. Тогда выражение для амплитуды принимает вид, которым мы уже пользовались при вычислении показателя преломления:

(32.16)

Из этой формулы для и равенства (32.2) легко получить интенсивность рассеяния в заданном направлении.

Однако, чтобы сэкономить время, вычислим сначала полную интенсивность рассеяния во всех направлениях. Полную энергию, рассеиваемую атомом за во всех направлениях, можно получить из формулы (32.7). После перегруппировки членов выражение для энергии принимает вид

(32.17)

Мы приводим результат в такой форме потому, что она удобна для запоминания: прежде всего, рассеиваемая энергия пропорциональна квадрату падающего поля. Что это означает? Очевидно, квадрат поля пропорционален энергии падающего пучка, проходящей за . (В самом деле, энергия, падающая на за 1 сек, равна произведению и среднего квадрата электрического поля ; если максимальное значение есть , то .) Другими словами, рассеиваемая энергия пропорциональна плотности падающей энергии; чем сильнее солнечный свет, тем ярче кажется небо.

А какая доля падающего света рассеивается электроном? Вообразим мишень с площадью о, помещенную на пути луча (не настоящую мишень, сделанную из какого-то вещества, потому что она приведет к дифракции света и т. п., а воображаемую мишень, нарисованную в пространстве). Количество энергии, проходящее через поверхность а, пропорционально падающей интенсивности и площади мишени:

(32.18)

А теперь давайте условимся: полное количество энергии, рассеиваемое атомом, мы приравняем энергии падающего пучка, проходящей через некоторую площадь; указав величину площади, мы тем самым определяем рассеиваемую энергию. В такой форме ответ не зависит от интенсивности падающего пучка; он выражает отношение рассеиваемой энергии к энергии, падающей на . Другими словами,

Смысл этой площади заключается в том, что, если бы вся попадающая на нее энергия отбрасывалась в сторону, она рассеивала бы столько энергии, сколько рассеивает атом.

Эта площадь называется эффективным сечением рассеяния. Понятие эффективного сечения используется всегда, когда эффект пропорционален интенсивности падающего пучка. В таких случаях количественный выход эффекта задается площадью эффективной области, выхватывающей из пучка такую часть, чтобы она равнялась выходу. Это ни в коем случае не означает, что наш осциллятор на самом деле занимает подобную площадь. Если бы свободный электрон просто качался взад и вперед, ему бы не соответствовала никакая площадь. Это лишь способ выражения результата через определенную величину; мы указываем площадь, на которую должен упасть пучок, чтобы получилась известная энергия рассеяния. Итак, в нашем случае

(32.19)

( - рассеяние).

Рассмотрим несколько примеров. Прежде всего, когда собственная частота очень мала или электрон вообще свободен, что соответствует , частота выпадает и сечение а становится константой. В этом пределе сечение носит название томпсоновского сечения рассеяния. Оно равно площади квадратика со стороной около , т. е. площади , а это очень мало!

С другой стороны, при рассеянии света в воздухе собственные частоты осцилляторов, как мы уже говорили, больше частот обычного света. Отсюда следует, что величиной в знаменателе можно пренебречь и сечение оказывается пропорциональным четвертой степени частоты. Значит, свет с частотой, в два раза большей, рассеивается в шестнадцать раз интенсивнее, а это уже вполне ощутимая разница. Таким образом, голубой свет, частота которого примерно вдвое выше частоты света у красного конца спектра, рассеивается значительно интенсивнее, чем красный свет. И, взглянув на небо, мы видим только изумительную синеву!

Стоит сказать еще несколько слов по поводу полученных результатов. Ответьте, во-первых, почему мы видим облака? Откуда они берутся? Всем известно, что возникают они за счет конденсации водяных паров. Но водяные пары, конечно, находились в атмосфере еще до конденсации. Почему же мы их не видели? А вот после конденсации их прекрасно видно. Не были видны - и вдруг появились. Как видите, тайна происхождения облаков - это совсем не детский вопрос, вроде «Папа, откуда взялась вода?», и ее нужно объяснить.

Мы только что говорили, что каждый атом рассеивает свет, и, естественно, водяной пар тоже должен рассеивать свет. Загадка состоит в том, почему вода, конденсированная в облаках, рассеивает свет сильнее в такое огромное число раз?

Давайте посмотрим, что получится, если вместо одного атома взять скопление атомов, скажем два атома, расположенных очень близко друг к другу по сравнению с длиной волны. Вспомним, что размеры атомов порядка , а длина волны света порядка , так что несколько атомов вполне могут образовать сгусток, где расстояние между ними будет много меньше длины волны. Под действием электрического поля оба атома будут колебаться совместно, как целое. Рассеиваемое электрическое поле окажется равным сумме двух полей с одинаковой фазой, т. е. удвоенной амплитуде одного атома, а энергия увеличится в четыре, а не в два раза по сравнению с энергией излучения от отдельного атома! Таким образом, сгустки атомов излучают или рассеивают больше энергии, чем столько же атомов по отдельности. Наше старое утверждение, что фазы двух атомов никак не связаны, основывалось на предположении о большой разности фаз двух атомов, что справедливо только когда расстояние между ними порядка нескольких длин волн или когда они движутся. Если же атомы находятся совсем рядом, они излучают обязательно с одной фазой, и возникает усиливающая интерференция, что приводит к увеличению рассеяния.

Пусть в сгустке, крошечной капельке воды, содержится атомов; тогда под действием электрического поля они будут двигаться, как и раньше, все вместе (влияние атомов друг на друга для нас несущественно, мы хотим только выяснить суть дела). Амплитуда рассеяния каждого атома одна и та же; следовательно, поле рассеянной волны оказывается в раз больше. Интенсивность рассеиваемого света увеличивается в раз. Если бы атомы находились далеко друг от друга, мы получили бы увеличение в раз по сравнению со случаем отдельного атома, а здесь возникает раз! Иначе говоря, рассеяние капельками воды (по молекул в каждой) в раз больше рассеяния тех же атомов по отдельности. Таким образом, чем больше вода конденсируется, тем больше рассеяние. Может ли рассеяние расти до бесконечности? Нет, конечно! На каком же этапе наши рассуждения станут неверными? Ответ: когда водяная капля увеличится настолько, что размеры ее окажутся порядка длины волны, колебания атомов будут происходить с разными фазами, потому что расстояние между ними станет слишком большим. Таким образом, с увеличением размера капель рассеяние растет до тех пор, пока капли не станут порядка длины волны, а затем с ростом капель рассеяние увеличивается гораздо медленнее. Кроме того, голубой свет в рассеянной волне начинает исчезать, потому что для коротких волн предел роста рассеяния наступает раньше (у менее крупных капель), чем для длинных волн. Хотя каждый атом рассеивает короткие волны сильнее, чем длинные, капли с размерами больше длины волны интенсивнее рассеивают свет вблизи красного конца спектра, и с ростом капель цвет рассеянного излучения меняется с голубого на красный (становится более красным).

Это явление можно наглядно продемонстрировать. Нужно взять очень маленькие частички вещества, которые затем постепенно будут расти. Для этого воспользуемся раствором тиосульфата натрия в серной кислоте, в котором осаждаются крохотные зернышки серы. Когда сера начинает осаждаться, зернышки еще очень малы и рассеянный свет имеет синеватый оттенок. С ростом числа и величины частиц в осадке спет сначала становится более интенсивным, а затем приобретает беловатый оттенок. Кроме того, проходящие лучи теряют синюю составляющую. Именно поэтому закат бывает красным; солнечные лучи, прошедшие к нам через толщу атмосферы, успели рассеять голубой свет и приобрели оранжевую окраску.

Наконец, при рассеянии возникает еще одно важное явление, которое, по существу, относится к поляризации - теме следующей главы. Однако оно так интересно, что имеет смысл сказать о нем сейчас. Оказывается, что электрическое поле рассеянного света колеблется преимущественно в одном определенном направлении. Пусть электрическое поле в падающей волне колеблется в каком-то направлении, тогда осциллятор будет совершать свои вынужденные колебания в том же направлении. Если теперь мы будем смотреть под прямым углом к падающему лучу, то увидим поляризованный свет, т. е. свет, в котором электрическое поле колеблется только в одном направлении. Вообще говоря, атомы могут осциллировать в любом направлении, лежащем в плоскости, перпендикулярной падающему лучу, но, когда они движутся прямо к нам или от нас, мы их не видим. Таким образом, хотя электрическое поле в падающем луче осциллирует во всевозможных направлениях (в этом случае говорят о неполяризованном свете), свет, рассеивающийся под углом , содержит колебания только в одном направлении (фиг. 32.3)!

Фигура 32.3. Возникновение поляризации у рассеянного луча, направленного под прямым углом к падающему лучу.

Есть такое вещество, называемое поляроидом, через которое проходит только волна с электрическим полем, параллельным некоторой оси. С помощью поляроида можно заметить поляризацию и, в частности, показать, что свет, рассеянный нашим раствором гипосульфата, действительно сильно поляризован.

Объясняя распространение света в прозрачных средах с волновой точки зрения, мы предполагали, что вторичное излучение электронов, возбужденных световой волной, когерентно с падающим. Действительно, классическая теория дисперсии основана на теории вынужденных колебаний электронов. А вынужденные колебания когерентны с вынуждающими, т. е. с возбуждающей электромагнитной волной. Учет интерференции этого излучения с первичным и приводит к известным законам отражения и преломления. При этом преломленная волна движется только вперед.

Иногда в реальных условиях возникает заметное рассеяние света, т. е. распространение вторичных волн в различных направлениях, не совпадающих с направлением первичной волны.

Существенно здесь следующее: проходящая волна приводит атомы в «возбужденное состояние», т. е. их энергия растет. Через малые (порядка 10 -9 с) промежутки времени атомы возвращаются в нормальное состояние, давая вторичное излучение, причем оно уженекогерентно с падающим, так как акты вторичного излучения распределены во времени по случайному закону. В результате вторичное излучение распространяется во все стороны - возникает рассеяние. Такое рассеяние называется резонансным - оно происходит на частотах, лежащих в полосе поглощения, и наблюдать его нелегко.

Более распространенный тип рассеяния - рассеяние на неоднородностях, позволяющее, например, следить за распространением светового луча в сосуде с водой при рассматривании его сбоку. В чистой воде рассеяние незначительно. Если же капнуть в воду одеколона (или взять раствор канифоли в спирту), то вода мутнеет и рассеяние сильно возрастает. Пока рассеяние невелико, рассеянный свет имеет голубоватый оттенок (при распространении белого света), а проходящий чуть-чуть желтеет. При увеличении мутности рассеяние усиливается, а в проходящем свете остаются только лучи длинноволновой части видимого спектра.

Так как при восходе и заходе Солнца его лучи проходят значительный путь в нижних слоях атмосферы, содержащих различные загрязнения, то возникает заметное рассеяние и Солнце кажется красноватым.

Теория рассеяния на неоднородностях была дана Рэлеем. Он показал, что частицы, размеры которых малы по сравнению с длиной волны, рассеивают свет более или менее равномерно (рис. 8.7, а), причем интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты. Если же размеры рассеивающих частиц сравнимы с длиной волны, то рассеяние происходит в основном в направлении падающей волны (рис. 8.7, б), а интенсивность его мало зависит от длины волны. Для еще больших частиц длина волны почти совсем перестает влиять на интенсивность рассеянного света (поэтому облака кажутся белыми).

Мандельштам показал, что флуктуации плотности атмосферы на больших высотах, где она практически не содержит загрязнений, происходящие в малых объемах (линейные размеры их меньше длины волны), влекут за собой изменения показателя преломления, т. е. создают микронеоднородности, вызывающие сильное рассеяние синей часта спектра солнечного света; поэтому чистое небо кажется синим.

При рассеянии линейно-поляризованного света легко обнаружить существование поляризации. Так, если вдоль оси х распространяется волна с электрическим вектором z , ТО при наблюдении рассеяния вдоль оси у свет виден хорошо (молекулярные диполи излучают в этом направлении). Но при наблюдении вдоль оси z интенсивность рассеянного света очень мала.

Эффект рассеяния поляризованного света использован Умовым в превосходной демонстрации вращения плоскости колебаний в водном растворе сахара (рис. 8.8). Узкий пучок белого света падает на зеркало 3 и идет затем вдоль оси высокого (50 - 70 см) цилиндра М, наполненного водным раствором сахара. Между зеркалом и цилиндром находится поляризатор П. Плоскость колебаний в растворе постепенно поворачивается, причем угол поворота на единицу длины пути зависит от длины волны света. Наблюдатели А и Б, смотрящие на цилиндр в направлениях, образующих прямой угол, воспринимают разную окраску некоторого сечения, а весь цилиндр кажется им пронизанным цветным винтом. Если поворачивать поляризатор, то этот винт также поворачивается. При повороте поляризатора на 90° максимум интенсивности некоторого цвета сменяется минимумом, и наоборот. Во всех рассмотренных случаях частота света при рассеянии сохраняется. Явления рассеяния с изменением частоты света не могут быть объяснены с волновой точки зрения; они описаны в главе 10.

> Рассеяние света атмосферой

Формула и условия рэлеевского рассеяния света – как свет рассеивается в атмосфере. Читайте характеристику и поведение электромагнитной волны, полязируемость.

Рэлеевское рассеяние характеризует процесс рассеяния молекул газа в атмосфере. Он также разъясняет, почему небо голубое.

Задача обучения

Разберитесь в отношениях волновых частиц, приводящих к рэлеевскому рассеянию.

Основные пункты

Световое рассеяние именуют рэлеевским. Оно может коснуться любой электромагнитной волны, если она сталкивается с частицами, меньшими длин волн.
Количество рассеянного света находится в обратной пропорциональности четвертой степени длины волн света. Потому короткие (зеленый и синий) рассеиваются легче длинных (желтый и красный).
Чем ближе вы к источнику света (Солнце), тем меньше рассеивается свет, потому что угол приближается к 90 градусам. Поэтому у нашей звезды наблюдается желтый оттенок, а остальная часть неба – синяя.
В космическом пространстве нет атмосферы, поэтому небо – черное, а Солнце – белое.
В период заката свет проходит сквозь увеличенный объем воздуха. Это повышает эффект рассеяния, а свет на прямом пути кажется оранжевым, а не голубым.

Термины

Электромагнитные лучи – состоят из осциллирующих электрических и магнитных поле, расположенных перпендикулярно.
Поляризуемость – склонность системы электрических зарядов к поляризации, если есть внешнее электрическое поле.

Рэлеевское рассеяние

Рэлеевское рассеяние - упругое рассеяние волн частицами, уступающими по размеру длинам волн. Частицы обязаны обладать показателем преломления, приближенным к 1. Этот закон относится ко всем электромагнитным лучам, но здесь мы коснемся ситуации с влиянием атмосферы на видимый свет.

Рассеяние Рэлея связано с поляризуемостью молекул. Полярность характеризуют по тому, как заряды в молекуле будут вибрировать в пределах электрического поля. Высчитывается по формуле:

где I – результирующая интенсивность, I 0 – исходная интенсивность, α – поляризуемость, λ – длина волны, R – дистанция к частице, θ – угол рассеяния.

Скорее всего вам не нужно будет использовать уравнение, но важно понять, что рассеяние основывается на длине волны. Чем короче длина, тем сильнее рассеивание.

Почему небо голубое?

Мы знаем, что световое рассеяние выступает обратно пропорциональным четвертой степени длины световой волны. То есть, чем короче длина, тем сильнее рассеивается. Подобный «короткий» показатель наблюдается у зеленого и синего, поэтому их смешивание можно заметить в небе.

Если вы приблизитесь к Солнцу, то свет не будет рассеиваться, потому что создается 90-градусный угол. При такой дистанции вы начнете различать красный и желтый, поэтому в эти цвета окрашена наша звезда под атмосферным фильтром.

Почему закат красный?

Покраснение возле горизонта появляется из-за того, что свету приходится пробиваться сквозь огромных воздушный объем. Это повышает эффект рэлеевского рассеяния и убирает весь синий цвет с пути наблюдения. Оставшийся обладает более длинными волнами, поэтому кажется красноватым.