Šviesos sklaida

Šviesos sklaida yra šviesos transformacijos medžiaga, kurią lydi optinės spinduliuotės erdvinio pasiskirstymo, dažnio, poliarizacijos pasikeitimas ir pasireiškiantis netinkamu medžiagos švytėjimu. Jei išsklaidytos šviesos dažnis sutampa su krintančios šviesos dažniu, tada sklaida vadinama elastinga. Jei dažniai skiriasi, jie kalba apie neelastingą sklaidą.

Medžiagos dalelės, vykstant priverstiniam elektronų virpesiui, sužadintam krintančios spinduliuotės, tampa antrinės išsklaidytos spinduliuotės šaltiniu. Tai išplaukia iš to, kad su pagreičiu judantis elektronas skleidžia elektromagnetinę bangą (žr. § 42). Terpės dalelių pakartotinai skleidžiamos antrinės bangos trukdo, o trukdžių rezultatas labai priklauso nuo bangos ilgio ir dalelių dydžių santykio. Analizė rodo, kad jei terpė idealiai vienalytė, tai antrinės bangos dėl trukdžių panaikina viena kitą visomis kryptimis, išskyrus pradinę, t. y. idealiai. vienalytė aplinka spinduliuotė nėra išsklaidyta. Taigi sklaida gali atsirasti tik optiškai nehomogeninėje terpėje, kurios lūžio rodiklis taške kinta netaisyklingai. Tokių terpių pavyzdžiai yra vadinamosios drumstos terpės – aerozoliai (dūmai, rūkas), emulsijos, matiniai stiklai ir kt., kuriuose yra smulkių dalelių, kurių lūžio rodiklis skiriasi nuo lūžio rodiklio. aplinką.

Jei nehomogeninėje terpėje atstumas tarp nehomogeniškumo yra daug didesnis nei spinduliuotės bangos ilgis, tai šie nehomogeniškumas elgiasi kaip nepriklausomi antriniai spinduliuotės šaltiniai. Jų skleidžiamos antrinės bangos yra nenuoseklios ir netrukdo, kai yra viena ant kitos. Todėl tokia terpė išsklaido šviesą į visas puses.

Šviesos sklaida drumstose terpėse, kurių nehomogeniškumo dydis neviršija 0,2 μm, vadinamas Tyndall reiškiniu. Tai galima pastebėti, pavyzdžiui, kai ryškus šviesos pluoštas praeina per oro sluoksnį, kuriame yra mažų dūmų dalelių, arba per vandens indą, į kurį įpilta šiek tiek pieno, kuriame yra nedideli riebalų lašeliai. Apšviečiant drumstą terpę balta šviesa, išsklaidyta šviesa, žiūrint iš šono, turi melsvą atspalvį. Priešingai, šviesoje, sklindančioje per pakankamai storą drumstos terpės sluoksnį, pradeda vyrauti ilgųjų bangų spinduliuotė, todėl sklindančioje šviesoje terpė atrodo rausva. Šis modelis buvo paaiškintas šviesos sklaidos mažomis sferinėmis dalelėmis teorijoje, kurią 1899 m. sukūrė D. Rayleigh. Jis parodė, kad tokios dalelės išsklaidytos šviesos intensyvumas yra atvirkščiai proporcingas ketvirtajai bangos ilgio galiai:

Didėjant nehomogeniškumo dydžiui, Rayleigh dėsnis vis dažniau pažeidžiamas.

Šviesos sklaida taip pat pastebima grynose terpėse, kuriose nėra jokių priemaišų (pavyzdžiui, dujų ir skysčių). Jis vadinamas molekuline sklaida ir sukeliamas, kaip pirmą kartą pasiūlė M. Smoluchowskis, medžiagos tankio svyravimai, atsirandantys vykstant chaotiškam šiluminiam molekulių judėjimui. 1910 metais A. Einšteinas sukūrė molekulinės šviesos sklaidos teoriją, kuri atvedė prie tų pačių rezultatų, kaip ir Rayleigh teorija. Molekulinė sklaida žemės atmosfera saulės šviesa paaiškina mėlyną dangaus spalvą. Dėl tų pačių priežasčių saulėtekio ir saulėlydžio metu saulės šviesa, einanti per didelį atmosferos storį, įgauna raudonai oranžinę spalvą.

Šviesos sklaida

optinės spinduliuotės (Žr. Optinė spinduliuotė) (šviesos) srauto charakteristikų pasikeitimas sąveikaujant su medžiaga. Šios charakteristikos gali būti erdvinis intensyvumo pasiskirstymas, dažnių spektras, Šviesos poliarizacija. Dažnai R. s. vadinamas tik šviesos sklidimo krypties pokytis, kurį sukelia terpės erdvinis nevienalytiškumas, suvokiamas kaip netinkamas terpės švytėjimas.

Nuoseklus R. s. galima viduje kvantinė teorija spinduliuotės sąveika su medžiaga, pagrįsta kvantine elektrodinamika (žr. Kvantinė elektrodinamika) ir kvantinėmis materijos sandaros sampratomis. Šioje teorijoje vienas R. s. Laikoma, kad medžiagos dalelės absorbuoja fotoną a su energija ħ ω, impulsas (judesio kiekis (žr. judesio kiekį)) ħk ir poliarizacija μ, o tada fotono emisija su energija ħ ω, impulsas ħk" ir poliarizacija μ ". Čia ħ - Planko konstanta, ω ir ω" yra fotonų dažniai, kiekvienas iš dydžių k Ir k"- Bangos vektorius. Jei skleidžiamo fotono energija lygi sugerto fotono energijai (ω = ω"), sklaidos sistema vadinama Reili arba elastine. Jei ω ≠ ω " R.s. lydi energijos persiskirstymas tarp radiacijos ir materijos ir vadinamas neelastingu.

Daugeliu atvejų pakanka R. puslapio aprašymo. viduje bangų teorija radiacija (žr. Optika). Šios teorijos (vadinamos klasikine) požiūriu, kritimas šviesos banga sužadina priverstinius virpesius terpės dalelėse elektros krūviai(„srovės“), kurios tampa antrinių šviesos bangų šaltiniais. Šiuo atveju lemiamą vaidmenį atlieka šviesos trukdžiai tarp krintančių ir antrinių bangų (žr. toliau).

Kiekybinės R. s. tiek su klasika, tiek su kvantinis aprašymas yra diferencinės sklaidos skerspjūvis dσ , apibrėžiamas kaip spinduliavimo srauto santykis (žr. Spinduliavimo srautą) dl, išsibarstę į nedidelį kietojo kampo elementą dΩ iki krintančio srauto dydžio l 0: dσ = dl/ l 0 . Bendras sklaidos skerspjūvis σ yra suma dσ visiems dΩ (skerspjūvis paprastai matuojamas cm 2). Tampriai sklaidai galime daryti prielaidą, kad σ - ploto, kuris „blokuoja šviesą“ jos pradinio sklidimo kryptimi, dydis (žr. Efektyvųjį skerspjūvį). At klasikinis aprašymas R.s. Dažnai naudojama sklaidos matrica, kuri susieja krintančios ir išsklaidytos šviesos bangų amplitudes visomis įmanomomis kryptimis ir leidžia atsižvelgti į išsklaidytos šviesos poliarizacijos būsenos kitimą. Neišsamus, bet aiškus R. s. tarnauja kaip sklaidos indikatorius – kreivė, kuri grafiškai parodo skirtingomis kryptimis išsklaidytos šviesos intensyvumo skirtumą.

Dėl R.s. lemiančių veiksnių gausos ir įvairovės labai sunku sukurti vieningą ir detalų jo apibūdinimo būdą įvairiems atvejams. Todėl idealizuotos situacijos vertinamos su įvairaus laipsnio adekvatumas pačiam reiškiniui.

R.s. atskiras elektronas yra elastingas procesas su dideliu tikslumu. Jo skerspjūvis nepriklauso nuo dažnio (vadinamasis Thomson R.s.) ir yra lygus σ = (8π/3) r 2 0 = 6,65․10 -25 cm 2 (r 0 = e 2 /mc 2 - vadinamasis klasikinis elektrono spindulys, daug mažesnis už šviesos bangos ilgį; e Ir m- elektronų krūvis ir masė; Su -Šviesos greitis vakuume). Sklaidos rodiklis nėra poliarizuota šviesašiuo atveju yra toks, kad pirmyn arba atgal (0° ir 180° kampais) būtų išsibarstę du kartus daugiau šviesos nei 90° kampu. R.s. pavieniais elektronais – astrofizinėje plazmoje įprastas procesas (žr. Plazma); visų pirma jis yra atsakingas už daugelį Saulės vainiko reiškinių (žr. Saulės vainiką) ir kitų žvaigždžių vainikuose.

Pagrindinis požymis R. s. atskiras atomas – stipri sklaidos skerspjūvio priklausomybė nuo dažnio. Jei krintančios šviesos dažnis ω yra mažas, palyginti su natūralių virpesių dažniu ω 0 atominiai elektronai(atominės sugerties linija), tada σ Šviesos sklaida ω 4 arba λ -4 (λ - šviesos bangos ilgis). Ši priklausomybė, nustatyta remiantis atomo idėja elektrinis dipolis(Žr. Dipolis), svyruojantis šviesos bangos lauke, vadinamas Reilio dėsniu. Netoli atominių linijų (ω ≈ ω 0) skerspjūviai smarkiai didėja ir pasiekia rezonansą (ω = ω 0) labai didelės vertėsσ ≈ λ 2 Šviesos sklaida 10 -10 cm 2. Dėl daugybės rezonansinių R. s. tai dėvi specialus vardas rezonansinė fluorescencija. Nepoliarizuotos šviesos sklaidos atomais rodiklis yra panašus į aprašytąjį laisvųjų elektronų. R.s. atskiri atomai stebimi retintose dujose.

Su R. s. molekulės kartu su Rayleigh (nepaslinktomis) linijomis sklaidos spektre, priešingai nei atominės sklaidos atveju, atsiranda neelastingos sklaidos linijos. (paslinkęs dažnis). Susijęs. poslinkis)ω - ω"|/ω Šviesos sklaida yra 10 -3 -10 -5, o pasislinkusių linijų intensyvumas yra tik 10 -3 -10 -6 Rayleigh intensyvumas. Apie neelastingą molekulių sklaidą žr. Ramano šviesos sklaida .

R.s. mažos dalelės sukelia plačią reiškinių klasę, kurią galima apibūdinti remiantis dielektrinių dalelių šviesos difrakcijos teorija (žr. Šviesos difrakcija). Daugelis būdingi bruožai R.s. daleles galima atsekti laikantis griežtos teorijos, kurią sferinėms dalelėms sukūrė anglų mokslininkas A. Love (1889) ir vokiečių mokslininkas G. Mie (1908, Mie teorija). Kai rutulio spindulys r daug mažesnis už šviesos bangos ilgį λ n savo esme R. s. ant jo yra panašus į nerezonansinį R. s. atomas. Skerspjūvis (ir intensyvumas) R. s. šiuo atveju tai labai priklauso nuo r ir apie dielektrinių konstantų skirtumą (žr. Dielektrinė konstanta) Rutulio ir aplinkos medžiagos ε ir ε 0: σ Šviesos sklaida λ n -4 r 6 (ε - ε 0) (Rayleigh, 1871). Su padidėjimu rį r Šviesos sklaidaλ n ir daugiau (su sąlyga, kad ε > 1) ryškūs maksimumai ir minimumai atsiranda sklaidos indikatoriuje – šalia vadinamųjų. Mie rezonansai (2 r =mλ n, m= 1, 2, 3,...) skerspjūviai labai padidėja ir tampa lygūs 6π r2, sklaida į priekį didėja, sklaida atgal silpnėja; Šviesos poliarizacijos priklausomybė nuo sklaidos kampo tampa daug sudėtingesnė.

R.s. didelės dalelės ( r>> λ n). Svarbi funkcijašiuo atveju - periodinis (kampinis) sklaidos rodiklio pobūdis ir periodinė priklausomybė skerspjūviai nuo parametro r/λ n. R.s. ant didelių dalelių susidaro aureolės, vaivorykštės (žr. Rainbow), Aureole ir kiti reiškiniai, atsirandantys aerozoliuose (žr. Aerozoliai), rūkai ir kt.

R.s. aplinkos, susidedančios iš didelis skaičius dalelių, gerokai skiriasi nuo R. s. atskiros dalelės. Taip yra, visų pirma, dėl atskirų dalelių išsklaidytų bangų trukdžių viena kitai ir krintančios bangos atžvilgiu. Antra, daugeliu atvejų svarbus daugybinės sklaidos (pakartotinės emisijos) poveikis, kai vienos dalelės išsklaidyta šviesa vėl išsklaido kitų. Trečia, dalelių sąveika viena su kita neleidžia laikyti jų judėjimo nepriklausomais.

Reiškinys R. s. labai plačiai naudojamas įvairiuose fizikos, chemijos tyrimuose, įvairiose srityse technologija. Spectra R. s. leidžia nustatyti medžiagų molekulines ir atomines charakteristikas, jų tamprumo, atsipalaidavimo ir kitas konstantas. Daugeliu atvejų šie spektrai yra vienintelis informacijos apie draudžiamus perėjimus (žr. Draudžiamos linijos) molekulėse šaltinis. Ant R. s. remiantis daugybe dydžio ir kartais formos nustatymo metodų smulkios dalelės, o tai ypač svarbu, pavyzdžiui, matuojant atmosferos matomumą (žr. Atmosferos matomumas) ir tiriant polimerų tirpalus (žr. Nefelometrija, Turbidimetrija). Priverstinės R. s. yra vadinamasis pagrindas aktyvioji spektroskopija ir yra plačiai naudojami derinamuosiuose lazeriuose.

Lit.: Landsbergis G.S., Optika, 4 leid., M., 1957 ( Bendras kursas fizika, t. 3); Volkeshtein M.V., Molekulinė optika, M. - L., 1951; Hulst G., Šviesos sklaida mažomis dalelėmis, trans. iš anglų k., M., 1961; Fabelinsky I. L., Molekulinė šviesos sklaida, M., 1965; Pantel R., Putkhov G., Kvantinės elektronikos pagrindai, vert. iš anglų k., M., 1972 m.

S. G. Pržibelskis.

Didelis Sovietinė enciklopedija. - M.: Tarybinė enciklopedija. 1969-1978 .

Pažiūrėkite, kas yra „Šviesos sklaida“ kituose žodynuose:

Keitimas k.l. Optinės spinduliuotės (šviesos) srauto, kai ji sąveikauja su šviesa, charakteristikos. Šios savybės gali būti erdvės. intensyvumo pasiskirstymas, dažnių spektras, šviesos poliarizacija. Dažnai R. s. paskambino tik netinkamumo reiškinys. švyti...... Fizinė enciklopedija

Šviesos pluošte šviesos sklaida yra elektromagnetinių bangų sklaida matomame diapazone jų sąveikos su medžiaga metu. Taip atsitinka... Vikipedija

Šviesos pluošto, sklindančio terpėje visomis įmanomomis kryptimis, nuokrypiai. Šviesos sklaidą sukelia terpės nehomogeniškumas ir šviesos sąveika su materijos dalelėmis, kuriose kinta erdvinis intensyvumo pasiskirstymas... Didysis enciklopedinis žodynas

Šiuolaikinė enciklopedija

Šviesos sklaida- ŠVIESOS SKAIDYMAS, terpėje sklindančio šviesos pluošto nukreipimas visomis įmanomomis kryptimis. Šviesa yra išsklaidyta dėl terpės nehomogeniškumo, ant dalelių ir molekulių, o intensyvumo ir dažnio erdvinis pasiskirstymas keičiasi... ... Iliustruotas enciklopedinis žodynas

šviesos sklaida- Reiškinys, kai nukreiptas šviesos spindulys, sklindantis terpėje, nukreipiamas visomis įmanomomis kryptimis. [Rekomenduojamų terminų rinkinys. 79 laida. Fizinė optika. SSRS mokslų akademija. Mokslinės ir techninės terminijos komitetas. 1970… Techninis vertėjo vadovas

Aukščiau pateikti pavyzdžiai padės mums suprasti vieną reiškinį, atsirandantį ore dėl netvarkingo atomų išsidėstymo. Skyriuje apie lūžio rodiklį sakėme, kad krintanti šviesa sukelia atomų spinduliavimą. Krintančio pluošto elektrinis laukas siūbuoja elektronus aukštyn ir žemyn, ir jie, judėdami su pagreičiu, pradeda skleisti. Ši išsklaidyta spinduliuotė sudaro šviesos spindulį, judantį ta pačia kryptimi kaip ir krintantis spindulys, tačiau skiriasi nuo jo faze, dėl kurio atsiranda lūžio rodiklis.

Bet kaip dėl išsklaidytos šviesos intensyvumo kitomis kryptimis? Jei atomai kaitaliojasi labai reguliariai, sudarydami gražų geometrinį raštą, intensyvumas visomis kitomis kryptimis lygus nuliui, nes sudėjus daug vektorių su besikeičiančiomis fazėmis rezultatas sumažėja iki nulio. Bet jei atomų išsidėstymas yra atsitiktinis, intensyvumas bet kuria kryptimi, kaip jau minėjome, yra lygus intensyvumo iš kiekvieno atomo atskirai sumai. Be to, dujų atomai nuolat juda, o fazių skirtumas tarp dviejų atomų, kuris tam tikru laiko momentu įgauna tam tikrą reikšmę, kitą akimirką pasikeis, todėl, skaičiuojant vidurkį laikui bėgant, kiekvienas atskiras kryžminis narys išnyksta. Todėl norint nustatyti dujų išsklaidytos šviesos intensyvumą, galima paimti vieno atomo sklaidą ir padauginti intensyvumą iš atomų skaičiaus.

Kaip jau minėta, mėlyna dangaus spalva paaiškinama būtent šviesos sklaida ore. Saulės šviesa prasiskverbia per orą, o kai žiūrime nuo Saulės, pavyzdžiui, statmenai krentančio spindulio, matome mėlynos spalvos šviesą; Dabar pabandykime apskaičiuoti išsklaidytos šviesos intensyvumą ir suprasti, kodėl ji yra mėlyna.

Krintantis šviesos spindulys su intensyvumu elektrinis laukasžinoma, kad atomo vietoje elektronas virpa aukštyn ir žemyn (32.2 pav.). Naudodami (23.8) lygtį randame svyravimų amplitudę

(32.15)

32.2 pav. Spindulys, patenkantis į atomą, sukelia atomo krūvių (elektronų) vibraciją. Judantys elektronai savo ruožtu spinduliuoja visomis kryptimis

Iš esmės galima atsižvelgti į slopinimą ir įvesti sumą per dažnius, darant prielaidą, kad atomas veikia kaip skirtingų dažnių generatorių rinkinys. Tačiau paprastumo dėlei apsiribosime vieno osciliatoriaus atveju ir nepaisysime slopinimo. Tada amplitudės išraiška įgauna tokią formą, kurią jau naudojome apskaičiuodami lūžio rodiklį:

(32.16)

Iš šios formulės ir lygybės (32.2) nesunku gauti sklaidos intensyvumą tam tikra kryptimi.

Tačiau taupydami laiką pirmiausia apskaičiuojame bendrą sklaidos intensyvumą visomis kryptimis. Visą atomo išsklaidytą energiją visomis kryptimis galima gauti iš (32.7) formulės. Pertvarkius terminus, energijos išraiška įgauna formą

(32.17)

Rezultatą pateikiame tokia forma, nes ją patogu prisiminti: visų pirma, išsklaidyta energija yra proporcinga krintančio lauko kvadratui. Ką tai reiškia? Akivaizdu, kad lauko kvadratas yra proporcingas krintančio pluošto, praeinančio pro , energijai. (Tiesą sakant, energija, patenkanti per 1 sek., yra lygi elektrinio lauko vidutinio kvadrato sandaugai; jei maksimali vertė yra , tada .) Kitaip tariant, išsklaidyta energija yra proporcinga krintančios energijos tankiui; Kuo stipresnė saulės šviesa, tuo šviesesnis atrodo dangus.

Kokią krintančios šviesos dalį išsklaido elektronas? Įsivaizduokime taikinį, kurio plotas o yra patalpintas spindulio kelyje (ne realus taikinys, pagamintas iš kokios nors medžiagos, nes tai sukeltų šviesos difrakciją ir pan., o įsivaizduojamas taikinys, nupieštas erdvėje). Energijos kiekis, praeinantis per paviršių a, yra proporcingas kritimo intensyvumui ir tikslinei sričiai:

(32.18)

Dabar susitarkime: bendrą atomo išsklaidytą energijos kiekį prilyginsime krintančio pluošto, einančio per tam tikrą sritį, energijai; Nurodydami ploto dydį, mes nustatome išsklaidytą energiją. Šioje formoje atsakymas nepriklauso nuo krentančio pluošto intensyvumo; jis išreiškia išsklaidytos energijos ir energijos, patenkančios į , santykį. Kitaip tariant,

Šios srities esmė ta, kad jei visa į ją patekusi energija būtų išmetama į šalį, ji išsklaidytų tiek pat energijos, kiek ir atomas.

Ši sritis vadinama efektyviuoju sklaidos skerspjūviu. Efektyvaus skerspjūvio sąvoka naudojama tada, kai poveikis yra proporcingas krintančio pluošto intensyvumui. Tokiais atvejais kiekybinė efekto išeiga nustatoma pagal efektyviosios srities plotą, kuris iš sijos atima tokią dalį, kuri lygi išėjimui. Tai jokiu būdu nereiškia, kad mūsų osciliatorius iš tikrųjų užima panašią sritį. Jei laisvasis elektronas tiesiog šokinėtų pirmyn ir atgal, su juo nesusijusios srities nebūtų. Tai tik būdas išreikšti rezultatą per tam tikrą kiekį; nurodome plotą, per kurį turi kristi sija, kad gautų žinoma energija išsibarstymas. Taigi, mūsų atveju

(32.19)

( - sklaidymas).

Pažvelkime į kelis pavyzdžius. Visų pirma, kai natūralusis dažnis yra labai mažas arba elektronas apskritai yra laisvas, o tai atitinka , dažnis nukrenta ir skerspjūvis a tampa konstanta. Šioje riboje skerspjūvis vadinamas Thompsono sklaidos skerspjūviu. Jis lygus kvadrato, kurio kraštinė yra apie , plotui, t.y. plotui, ir tai labai maža!

Kita vertus, kai šviesa yra išsklaidyta ore, osciliatorių natūralūs dažniai, kaip jau minėjome, yra didesni už įprastos šviesos dažnius. Iš to išplaukia, kad reikšmės vardiklyje gali būti nepaisoma ir skerspjūvis pasirodo proporcingas ketvirtajai dažnio laipsniai. Tai reiškia, kad šviesa, kurios dažnis yra dvigubai didesnis, yra išsklaidyta šešiolika kartų intensyviau, ir tai jau yra gana pastebimas skirtumas. Taigi mėlyna šviesa, kuri yra maždaug dvigubai didesnė už šviesos dažnį raudonajame spektro gale, yra išsklaidyta daug intensyviau nei raudona šviesa. Ir, žiūrėdami į dangų, matome tik nuostabią mėlyną!

Verta pasakyti dar keletą žodžių apie gautus rezultatus. Pirmiausia atsakykite, kodėl mes matome debesis? Iš kur jie atsiranda? Visi žino, kad jie atsiranda dėl vandens garų kondensacijos. Tačiau vandens garų, žinoma, atmosferoje buvo dar prieš kondensaciją. Kodėl mes jų nematėme? Bet po kondensacijos jie aiškiai matomi. Jų nesimatė – ir staiga atsirado. Kaip matote, debesų atsiradimo paslaptis visai nėra vaikų klausimas, pavyzdžiui, „Tėti, iš kur atsirado vanduo?“, ir tai reikia paaiškinti.

Mes ką tik sakėme, kad kiekvienas atomas išsklaido šviesą, ir, žinoma, vandens garai taip pat turėtų skleisti šviesą. Paslaptis, kodėl debesyse kondensuotas vanduo į tokius išsklaido šviesą stipriau didžiulis skaičius vieną kartą?

Pažiūrėkime, kas nutiks, jei vietoj vieno atomo imsime atomų grupę, tarkime, du atomus, esančius labai arti vienas kito, palyginti su bangos ilgiu. Prisiminkime, kad atomų dydžiai yra eilės , o šviesos bangos ilgis yra eilės , todėl keli atomai gali sudaryti krūvą, kur atstumas tarp jų bus daug mažesnis už bangos ilgį. Veikiami elektrinio lauko, abu atomai vibruos kartu kaip visuma. Išsklaidytas elektrinis laukas bus lygus dviejų tos pačios fazės laukų sumai, t. y. dvigubai didesnė už vieno atomo amplitudę, o energija padidės keturiais, o ne du kartus, lyginant su spinduliavimo energija iš atskiras atomas! Taigi atomų sankaupos išskiria arba išsklaido daugiau energijos nei tiek pat atomų atskirai. Mūsų senas teiginys, kad dviejų atomų fazės niekaip nesusijusios, buvo pagrįstas prielaida, kad dviejų atomų fazės yra labai skirtingos, o tai tiesa tik tada, kai atstumas tarp jų yra kelių bangos ilgių arba kai jie juda. Jei atomai yra labai arti, jie būtinai išspinduliuoja ta pačia faze ir atsiranda didėjantys trukdžiai, dėl kurių padidėja sklaida.

Tegul krešulys, mažytis vandens lašelis turi atomų; tada, veikiami elektrinio lauko, jie judės, kaip ir anksčiau, visi kartu (atomų įtaka vienas kitam mums nėra reikšminga, norime tik išsiaiškinti reikalo esmę). Kiekvieno atomo sklaidos amplitudė yra vienoda; Vadinasi, išsklaidytos bangos laukas pasirodo kelis kartus didesnis. Išsklaidytos šviesos intensyvumas padidėja kelis kartus. Jei atomai būtų toli vienas nuo kito, gautume padidėjusį koeficientą, palyginti su vieno atomo atveju, bet čia tai įvyksta kartus! Kitaip tariant, vandens lašelių (molekulių kiekvienoje) sklaida yra kelis kartus didesnė nei tų pačių atomų sklaida atskirai. Taigi, nei daugiau vandens kondensuojasi, tuo didesnė sklaida. Ar sklaida gali išaugti iki begalybės? Žinoma, kad ne! Kuriame etape mūsų samprotavimai taps neteisingi? Atsakymas: kai vandens lašas padidėja tiek, kad jo matmenys atitinka bangos ilgį, atomų virpesiai atsiras skirtingomis fazėmis, nes atstumas tarp jų taps per didelis. Taigi, didėjant lašelių dydžiui, sklaida didėja, kol lašeliai yra bangos ilgio eilės tvarka, o tada, kai lašeliai didėja, sklaida didėja daug lėčiau. Be to, mėlyna šviesa išsklaidytoje bangoje pradeda nykti, nes trumposioms bangoms sklaidos augimo riba atsiranda anksčiau (mažesniems lašeliams) nei ilgoms bangoms. Nors kiekvienas atomas išsisklaido trumpos bangos stipresni už ilgus, lašeliai, kurių matmenys yra didesni už bangos ilgį, šviesą intensyviau išsklaido netoli raudonojo spektro galo, o lašeliams augant, išsklaidytos spinduliuotės spalva keičiasi iš mėlynos į raudoną (tampa labiau raudona).

Šį reiškinį galima aiškiai parodyti. Reikia paimti labai mažas medžiagos daleles, kurios vėliau palaipsniui augs. Tam naudojame natrio tiosulfato tirpalą sieros rūgštyje, kuriame nusėda smulkūs sieros grūdeliai. Kai siera pradeda nusodinti, grūdeliai dar labai smulkūs, o išsklaidyta šviesa turi melsvą atspalvį. Didėjant dalelių skaičiui ir dydžiui nuosėdose, stinta iš pradžių tampa intensyvesnė, o vėliau įgauna balkšvą atspalvį. Be to, praeinantys spinduliai praranda mėlynąjį komponentą. Štai kodėl saulėlydis yra raudonas; saulės spinduliai, perėjęs per atmosferą iki mūsų, sugebėjo išsklaidyti mėlyną šviesą ir įgavo oranžinę spalvą.

Galiausiai, kai išsibarstymas įvyksta kitas svarbus reiškinys, kuris iš esmės susijęs su poliarizacija, kito skyriaus tema. Tačiau tai taip įdomu, kad prasminga apie tai kalbėti dabar. Pasirodo, kad išsklaidytos šviesos elektrinis laukas svyruoja daugiausia viena konkrečia kryptimi. Leiskite krintančios bangos elektriniam laukui svyruoti tam tikra kryptimi, tada generatorius atliks savo priverstiniai svyravimai ta pačia kryptimi. Jei dabar žiūrėsime stačiu kampu į krintantį spindulį, pamatysime poliarizuotą šviesą, tai yra šviesą, kurioje elektrinis laukas svyruoja tik viena kryptimi. Paprastai tariant, atomai gali svyruoti bet kuria kryptimi, esančia plokštumoje, statmenoje krintančio pluošto spinduliui, tačiau kai jie juda tiesiai į mus arba nuo jų, mes jų nematome. Taigi, nors krintančiame pluošte elektrinis laukas svyruoja visomis įmanomomis kryptimis (šiuo atveju kalbame apie nepoliarizuotą šviesą), bet kampu išsklaidyta šviesa turi svyravimų tik viena kryptimi (32.3 pav.)!

32.3 pav. Poliarizacijos atsiradimas išsklaidytame pluošte, nukreiptame stačiu kampu į krintantį spindulį.

Yra medžiaga, vadinama polaroidu, per kurią praeina tik banga, kurios elektrinis laukas yra lygiagretus kokiai nors ašiai. Polaroido pagalba galime stebėti poliarizaciją ir ypač parodyti, kad mūsų hiposulfato tirpalo išsklaidyta šviesa iš tiesų yra labai poliarizuota.

Aiškindami šviesos sklidimą skaidrioje terpėje banginiu požiūriu, darėme prielaidą, kad antrinė šviesos bangos sužadinamų elektronų emisija yra nuosekli su krintančiomis. tikrai, klasikinė teorija dispersija remiasi priverstinių elektronų virpesių teorija. Ir priverstiniai virpesiai yra suderinti su priverstiniais, tai yra, su jaudinančia elektromagnetine banga. Atsižvelgiant į šios spinduliuotės trukdžius pirminei spinduliuotei, atsiranda žinomi atspindžio ir lūžio dėsniai. Šiuo atveju lūžusi banga juda tik į priekį.

Kartais į realiomis sąlygomis atsiranda pastebimas šviesos sklaidymas, t.y., antrinių bangų sklidimas įvairiomis kryptimis, nesutampančią su pirminės bangos kryptimi.

Čia labai svarbu: praeinanti banga perkelia atomus į „sužadinimo būseną“, tai yra, jų energija didėja. Po nedidelių (apie 10 -9 s) laiko intervalų atomai grįžta į normalios būklės, suteikianti antrinę spinduliuotę, ir ji nebėra koherentiška su krintančia spinduliuote, nes antrinės spinduliuotės aktai pasiskirsto laike atsitiktinis įstatymas. Dėl to antrinė spinduliuotė plinta į visas puses – atsiranda sklaida. Ši sklaida vadinama rezonansine sklaida – ji atsiranda dažniuose, esančiuose sugerties juostoje, ir nėra lengva stebėti.

Dažnesnis sklaidos tipas yra nehomogeniškumo sklaida, kuri leidžia, pavyzdžiui, stebėti sklidimą. šviesos spindulys vandens inde žiūrint iš šono. IN švarus vanduo sklaida yra nereikšminga. Įlašinus odekolono į vandenį (arba paėmus kanifolijos tirpalą alkoholyje), vanduo tampa drumstas ir dispersija labai padidėja. Kol sklaida nedidelė, išsklaidyta šviesa turi melsvą atspalvį (kai sklinda balta šviesa), o praeinantis žmogus šiek tiek pagelsta. Didėjant drumstumui, didėja sklaida, o sklindančioje šviesoje lieka tik spinduliai iš ilgosios ilgio matomo spektro dalies.

Kadangi saulėtekio ir saulėlydžio metu jos spinduliai nukeliauja nemažą atstumą žemesniuose atmosferos sluoksniuose, kuriuose yra įvairių teršalų, pastebimas sklaidymasis ir Saulė atrodo rausva.

Sklaidos pagal nehomogeniškumą teoriją pateikė Reilis. Jis parodė, kad dalelės, kurių dydžiai yra maži, palyginti su bangos ilgiu, šviesą išsklaido daugiau ar mažiau tolygiai (8.7 pav. A), o išsklaidytos šviesos intensyvumas proporcingas ketvirtajai dažnio laipsnei. Jei sklaidos dalelių dydžiai yra panašūs į bangos ilgį, tada sklaida daugiausia vyksta krintančios bangos kryptimi (8.7 pav. b), o jo intensyvumas mažai priklauso nuo bangos ilgio. Dar didesnėms dalelėms bangos ilgis beveik neturi įtakos išsklaidytos šviesos intensyvumui (todėl debesys atrodo balti).

Mandelstamas parodė, kad atmosferos tankio svyravimai tęsiasi dideli aukščiai, kur praktiškai nėra teršalų, kurie atsiranda nedideliais kiekiais (jų linijiniai matmenys yra mažesni už bangos ilgį), sukelia lūžio rodiklio pokyčius, t. Štai kodėl giedras dangus atrodo mėlynas.

Sklaidant tiesiškai poliarizuotą šviesą, nesunku nustatyti poliarizaciją. Taigi, jei išilgai ašies X banga sklinda iš elektrinis vektorius z, TO stebint sklaidą išilgai ašies adresu aiškiai matoma šviesa (molekuliniai dipoliai spinduliuoja šia kryptimi). Bet kai stebima išilgai ašies z Išsklaidytos šviesos intensyvumas yra labai mažas.

Poliarizuotos šviesos sklaidos efektą panaudojo Umovovas, puikiai demonstruodamas vibracijos plokštumos sukimąsi vandeniniame cukraus tirpale (8.8 pav.). Siauras baltos šviesos spindulys krenta ant veidrodžio 3 ir tada eina išilgai aukšto (50–70 cm) cilindro ašies M, užpildytas vandeninis tirpalas Sachara. Tarp veidrodžio ir cilindro yra poliarizatorius P. Vibracijos plokštuma tirpale palaipsniui sukasi, o sukimosi kampas kelio ilgio vienetui priklauso nuo šviesos bangos ilgio. Stebėtojai A ir B, žvelgdami į cilindrą stačiu kampu formuojančiomis kryptimis, suvokia skirtingas tam tikros sekcijos spalvas, o visas cilindras jiems atrodo persmelktas spalvotu varžtu. Jei pasukate poliarizatorių, šis varžtas taip pat pasisuks. Poliarizatorių pasukus 90°, maksimalus tam tikros spalvos intensyvumas pakeičiamas minimaliu ir atvirkščiai. Visais nagrinėjamais atvejais išsaugomas šviesos dažnis sklaidos metu. Sklaidos reiškiniai, keičiantis šviesos dažniui, negali būti paaiškinti banginiu požiūriu; jie aprašyti 10 skyriuje.

> Šviesos sklaida atmosferoje

Formulė ir sąlygos Rayleigh šviesos sklaida– kaip šviesa išsisklaido atmosferoje. Perskaitykite charakteristikas ir elgesį elektromagnetinė banga, poliarizuotumas.

Rayleigh sklaida apibūdina dujų molekulių sklaidos atmosferoje procesą. Jis taip pat paaiškina, kodėl dangus yra mėlynas.

Mokymosi tikslas

Suprask savo santykius bangų dalelės, vedantis į Rayleigh sklaidą.

Pagrindiniai punktai

Šviesos sklaida vadinama Rayleigh sklaida. Jis gali liesti bet kokią elektromagnetinę bangą, jei susidurs su mažesnėmis bangos ilgio dalelėmis.
Išsklaidytos šviesos kiekis yra atvirkštinis proporcingumas ketvirtoji šviesos bangos ilgio galia. Todėl trumpi (žalia ir mėlyna) išsibarsto lengviau nei ilgieji (geltonos ir raudonos spalvos).
Kuo arčiau šviesos šaltinio (Saulės), tuo mažiau šviesa išsisklaido, nes kampas artėja prie 90 laipsnių. Todėl mūsų žvaigždė turi geltoną atspalvį, o likusi dangaus dalis yra mėlyna.
IN kosminė erdvė nėra atmosferos, todėl dangus juodas, o saulė balta.
Saulėlydžio metu šviesa praeina per padidėjusį oro kiekį. Tai padidina difuzijos efektą, o šviesa tiesioginiame kelyje atrodo oranžinė, o ne mėlyna.

Sąlygos

Elektromagnetiniai spinduliai – susideda iš svyruojančių elektrinių ir magnetinių laukų, išdėstytų statmenai.
Poliarizuotumas yra elektrinių krūvių sistemos polinkis poliarizuotis, jei yra išorinis elektrinis laukas.

Rayleigh sklaida

Reilio sklaida yra tamprus bangų sklaida dalelėmis, kurių dydis yra mažesnis už bangos ilgį. Dalelių lūžio rodiklis turi būti artimas 1. Šis dėsnis galioja visiems elektromagnetiniai spinduliai, bet čia paliesime situaciją su atmosferos įtaka matomai šviesai.

Rayleigh sklaida yra susijusi su molekulių poliarizuotumu. Poliškumas apibūdinamas tuo, kaip molekulės krūviai vibruos elektriniame lauke. Apskaičiuota pagal formulę:

kur I – gautas intensyvumas, I 0 – pradinis intensyvumas, α – poliarizuotumas, λ – bangos ilgis, R – atstumas iki dalelės, θ – sklaidos kampas.

Tikriausiai jums nereikės naudoti lygties, tačiau svarbu suprasti, kad sklaida pagrįsta bangos ilgiu. Kuo trumpesnis ilgis, tuo didesnė dispersija.

Kodėl dangus mėlynas?

Mes žinome, kad šviesos sklaida yra atvirkščiai proporcinga ketvirtajai šviesos bangos ilgio galiai. Tai yra, kuo trumpesnis ilgis, tuo stipresnis išsisklaidymas. Panašus „trumpas“ indikatorius stebimas žaliai ir mėlynai, todėl danguje galima matyti jų maišymąsi.

Jei priartėsite prie Saulės, šviesa nebus išsklaidyta, nes susidaro 90 laipsnių kampas. Šiuo atstumu jūs pradėsite atskirti raudoną ir geltoną, todėl mūsų žvaigždė po atmosferos filtru nudažyta šiomis spalvomis.

Kodėl saulėlydis raudonas?

Paraudimas šalia horizonto atsiranda dėl to, kad šviesa turi prasiskverbti pro didžiulį oro kiekį. Tai padidina Rayleigh sklaidos poveikį ir pašalina visus mėlyna nuo stebėjimo tako. Likęs turi daugiau ilgos bangos, todėl jis atrodo rausvas.