Рассмотрим рассеяние света различными веществами. При прохождении световой волны через вещество электрические заряды в его атомах и молекулах под действием переменного светового вектора совершают вынужденные колебания с той же частотой. При этом

частицы среды сами становятся вторичными излучателями электромагнитных волн, которые распространяются по различным направлениям. Таким образом, часть энергии олны, проходящей через вещество, поглощается и вновь излучается его частицами и вследствие этого рассеивается по всевозможным направлениям. Рассеяние света может произойти также и при отражениях и преломлениях света на границах мельчайших частиц (пылинок, капелек, пузырьков), содержащихся в данной среде.

Прозрачные среды (оптические стекла, очень чистые прозрачные жидкости и газы) почти не рассеивают света; это объясняется тем, что вторичные волны, излучаемые частицами среды, вследствие интерференции взаимно гасятся по всем направлениям, кроме направления распространения проходящего света. При этом, как показал Л. И. Мандельштам, важна однородность среды, так как для полного гашения необходима не только когерентность, но и равенство интенсивностей интерферирующих волн.

При наличии неоднородностей интенсивности вторичных волн будут иметь в различных местах и направлениях различные значения и поэтому полного гашения их не получится. Особенно сильно рассеивается свет в так называемых «мутных средах» молочное стекло, туманы, дым, молоко, суспензии и эмульсии и т. д.).

Наблюдения и расчеты показали, что:

1) интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты или обратно пропорциональна четвертой степени длины волны:

(закон Релея). Вследствие этого при прохождении белого света через рассеивающую среду рассеянный свет имеет голубоватый, а прошедший - красноватый оттенок. Практически рассеяние света, по закону Релея, имеет место при X а, где а - параметр, характеризующий линейные размеры рассеивающих частиц среды;

2) интенсивность рассеянного света различна в различных направлениях и может быть вычислена по формуле

где интенсивность рассеянного света в направлении, составляющем угол а с направлением проходящего света; максимальная интенсивность вторичного (рассеянного) излучения (это имеет место в направлении проходящего света);

3) свет, рассеянный под углом к направлению проходящего излучения, плоскополяризован.

Рассеяние света в однородных средах возможно ввиду того, что в объеме этой среды при беспорядочном (тепловом) движении молекул возможны случайные отклонения плотности среды от среднего по всему объему значения; в некоторых местах происходит временное скопление молекул и увеличение плотности, в других - уменьшение плотности. Эти флуктуации плотности среды означают появление

оптической неоднородности, так как показатель преломления зависит от плотности вещества. Рассеяние света на этих неоднородностях называется момкулярным рассеянием. Интенсивность его небольшая; например, воздух в нормальных условиях рассеивает приблизительно поступающей в его объем энергии, вода Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба. Флуктуации плотности происходят особенно интенсивно в критическом состоянии вещества; они вызывают заметное помутнение вещества при прохождении его через это состояние.

100 р бонус за первый заказ

Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line

Узнать цену

Это наиболее характерное оптическое свойство для коллоидных систем. Свет рассеивается во всех направлениях.

Это явление наблюдал Фарадей (1857) при исследовании золя золота.

Описано явление Тиндалем в 1868 году.

Через чистые жидкости и молекулярные растворы свет просто проходит. Через коллоидно-дисперсные системы с размером частиц 10-7-10-9 см луч света, встречая на своем пути частицу, не отражается, как бы огибает ее, отклоняется и несколько изменяет свое направление (дифракция).

Чем меньше длина волны луча света, тем больше угол отклонения.

Тиндаль обнаружил, что при освещении коллоидного раствора ярким световым пучком путь его виден при наблюдении сбоку в виде светящегося конуса – конус Тиндаля.

Рис. 3.2. Наблюдение конуса Тиндаля.

Это явление названо – опалесценция (от цвета опала: молочно-голубой цвет) – матовое свечение, чаще всего голубоватого оттенка. Используется для идентификации коллоидных систем.

Опалесценцию следует отличать от флуоресценции – свечения истинных молекулярных растворов некоторых красителей в проходящем свете. Причинами флуоресценции является внутримолекулярное возбуждение.

Теория светорассеяния была разработана Рэллеем (1871г) для сферических, не проводящих электрического тока частиц (разбавленных систем).

Уравнение Рэллея имеет вид:

Интенсивность рассеянного света;

Интенсивность падающего света;

И - показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды;

Концентрация в частицах (число частиц в единице объема);

Объем отдельной частицы;

Длина волны падающего света.

Из уравнения Рэллея следуют выводы:

1. При равенстве показателей преломления среды и частицы () обращается в нуль – рассеяние света отсутствует.

2. Чем меньше длина волны падающего света () тем больше будет рассеяние.

Если на частицу падает белый свет, то наиболее рассеиваются синие и фиолетовые компоненты (в проходящем свете раствор окрашен в красноватый цвет, в боковом отражении – в голубой).

Дисперсные системы прозрачны по отношению к длинноволновой области спектра (красная, оранжевая, желтая).

По отношению к коротковолновой части спектра (фиолетовой, зеленой, синей) – непрозрачны.

Цвет светофора хорошо просматривается в тумане (красный, оранжевый – цвета опасности).

Синюю лампу не видно с самолета (маскировка).

Голубое небо днем – рассеивание коротких волн солнечного света атмосферой земли.

Красный цвет неба на восходе и закате - наблюдается свет прошедший через атмосферу.

3. Максимальное светорассеяние происходит в системах с размером частиц <(2-4)·10-8 м, что соответствует коллоидной дисперсности.

При увеличении частиц до размера, превышающего длину волны – происходит уже отражение света. Исчезает опалесценция, появляется мутность. Та область размеров частиц, где интенсивность рассеянного света максимальна называется рэллеевской областью.

Рис. 3.3. Рассеяние света суспензией сульфата бария.

4. Уравнение Рэллея позволяет:

Если известен радиус () и объем () частицы, определить концентрацию ;

Если известна концентрация (), определить радиус () и объем () частицы.

Зависимость интенсивности рассеянного света от концентрации дисперсных частиц и их размеров используется в исследовательской и лабораторной практике.

Метод химического анализа, основанный на измерении интенсивности света, рассеянного дисперсной системой называется нефелометрией.

Для наблюдения коллоидных частиц обычные микроскопы не подходят. В 1903г. австрийский химик Р. Зигмонди, совместно с немецким физиком Зидентопфом создали специальный метод исследования – ультрамикроскопию. В ультрамикроскопе коллоидные растворы освещаются сбоку (боковое освещение) и наблюдаются в виде светящихся точек на черном фоне.

При распространении световых волн и световых пучков в веществе (в газовой, жидкой и твердой среде) изменяются в общем случае пространственное распределение, частота и поляризация света. Эти явления называют рассеянием света .

Часто под рассеянием понимают только преобразование углового распределения светового пучка, возникающего из-за неоднородности показателя преломления среды.

Если частота рассеянного света равна частоте падающего , то рассеяние света называют релеевским . Такое рассеяние возникает в среде, содержащей микроскопические частицы или неоднородности с произвольными размерами. Его называют эффектом Тиндаля. Оно порождает широкий класс явлений: радуги, гало (светлые круги, дуги, столбы и пятна, наблюдаемые около дисков Солнца или Луны из-за рассеяния света ледяными кристалликами, взвешенными в воздухе) , ореолы, голубой цвет неба и красный цвет закатов и рассветов.

При переходе вещества из газообразного в жидкое состояние возрастают флуктуации плотности и релеевское рассеяние в этот момент резко возрастает. Это явление называют критической опалесценцией .

Рассеяние с изменением частоты падающего света может быть нескольких видов:

· - при рассеянии монохроматического света на молекулах в спектре рассеяния возникают новые спектральные линии (Рамановское или комбинационное рассеяние ), которые связаны с внутримолекулярным движением электронов;

· - рассеяние света (рентгеновского излучения) на свободных электронах – эффект Комптона ;

· - рассеяние света на упругих волнах, возникающих в веществе под действием световой волны называют рассеянием Мандельштама-Бриллюэна .

· - указанные виды рассеяния света в веществе с изменением частоты при определенных условиях могут резко усиливаться при возбуждении среды мощным лазерным излучением. Широкий круг видов рассеяния, возникающих при этом, называют вынужденным рассеянием . Эти явления изучает нелинейная оптика.

В идеально однородной среде вторичные волны, испускаемые любыми точками этой среды, гасят друг друга вследствие интерференции и свет будет распространяться в первоначальном направлении. Таким образом, однородность среды и когерентность вторичных волн – необходимые условия отсутствия рассеяния.

Лекционный эксперимент : через кювету с чистой водой пропускают луч лазера. Наблюдение особенности индикатрисы рассеяния : рассеянный свет заметен даже в чистой воде при наблюдении под малым углом к лучу лазера. Рассеяние при наблюдении в направлении перпендикулярном лучу незначительно.

Введение в воду рассеивающих центров (капля одеколона, молока) резко увеличивает интенсивность рассеянного света. На выходе кюветы при этом можно видеть пятно рассеяния. При наблюдении рассеянного света через поляризатор можно убедиться, что рассеянный свет линейно поляризован.

Индикатрису рассеяния выражают формулой:

где θ – угол рассеяния. Пространственная индикатриса рассеяния получается вращением кривой (*) вокруг оси θ = 0.

Рис.1. Индикатриса рассеяния света частицами, малыми по сравнению с длиной волны света.

Релей (1899) рассчитал интенсивность света рассеянного на сферических частицах объема V с концентрацией n и получил следующую формулу:

.

Формула Релея описывает указанную выше индикатрису рассеяния и предсказывает, что интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Релея) . Она объясняет голубой цвет неба, однако этот цвет не связан с наличием пыли в атмосфере. Цвет неба при наблюдении высоко в горах, где в воздухе отсутствует пыль, становится еще более насыщенным голубым.

Физическая причина, объясняющая рассеяние в чистом веществе, состоит в том, что в силу статистической природы теплового движения молекул среды в ней неизбежно возникают флуктуации плотности. Флуктуации плотности частиц приводят к локальному изменению показателя преломления среды, то есть представляют собой оптические неоднородности. Теория молекулярного рассеяния света развита Эйнштейном в 1910 г. Формула Эйнштейна аналогична формуле Релея. Константа формуле дополнительно включает градиент показателя преломления по плотности газа (ρ∂ε /∂ρ).

Во время заката и восхода в силу закона Релея прямые лучи красного света, идущие от Солнца ослабляются в атмосфере значительно слабее синих. Поэтому ореол вокруг солнца - красный

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

С классич. позиций, вынужденные процессы вызываются совм. раскачиванием падающей и рассеянной волнами когерентных колебаний в среде, модулирующих её оптич. характеристики.

Лазерная техника дала возможность довести спектральное разрешение излучения до 10 -4 см -1 . Это позволило изучать Р. с. от медленно движущихся частиц с целью установления их распределения по скоростям (доплеровская лазерная анемометрия) и разрешить тонкие особенности спектров рассеяния с помощью спец. разработанных методов оптич. гомодинирования и гетеродинирования (см. Детектирование света ).Отличие этих методов от традиционных состоит в анализе не частотных спектров рассеянного поля, а спектров его интенсивности. Этот вариант нелинейной спектроскопии Р. с. даёт возможность исследовать высшие корреляторы поля (см. Квантовая оптика ),что представляет большой интерес, т. к. статистика рассеянного излучения несёт информацию о строении веществ и процессах, происходящих в них.

Возможность сделать объём области рассеяния малым, но достаточно освещённым для наблюдений позволяет исследовать пространственные распределения частиц по статистике рассеянного света.

Явления Р. с. широко используются при разл. физ., хим., биол. исследованиях. Спектры Р. с. позволяют определять молекулярные и атомные характеристики веществ, в ряде случаев эти спектры служат единств. источником информации о запрещённых переходах в молекулах. Р. с. широко используется для определения размеров, а иногда и форм мелких частиц, что важно для исследований атм. оптики и при лаб. исследованиях дисперсных систем. Вынужденные процессы Р. с. применяются в активной спектроскопии Р. с. и в лазерных системах для перестраивания частоты.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976; Шифрин К. С., Рассеяние света в мутной среде, М.- Л., 1951; Волькенштейн М. В., Молекулярная оптика, М.- Л., 1951; Ландау Л. Д., Лифшиц E. М., Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982; Xюлст Г., Рассеяние света малыми частицами, пер. с англ., М., 1961; F а-белинский И. Л., Молекулярное рассеяние света, М., 1965; Иванов А. П., Оптика рассеивающих сред, Минск, 1969; Борн М.. Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Эскин В. Е., Рассеяние света растворами полимеров, М., 1973; Вукс М. F., Рассеяние света в газах, жидкостях и растворах. Л., 1977; Кросиньяни Б., Ди Пор-то П., Бертолотти М., Статистические свойства рассеянного света, пер. с англ., М., 1980; Рассеяние света в твердых телах, под ред. М. Кардоны, Г. Гюнтеродта, пер. с англ., в. 1-4 М., 1979-86. С. Г. Пржибельский ,