15. Рассеяние света (на самостоятельное изучение)

Д ифракция света может происходить также в мутных средах.

Опр. 15.1. Мутные среды — среды с явно выраженными оптическими неоднородностями.

К мутным средам отно­сятся аэрозоли (облака, дым, туман), эмульсия, коллоидные растворы и т. д., т. е. такие среды, в которых взвешено мно­жество очень мелких частиц инородных веществ.

Опр. 15.2. Рас­сеяние света - равномерное распределение интенсивно­стей по всем направлениям, не создающее какой-либо определенной дифракционной картины.

Бывает:

1. в мутной среде. Свет, проходя через мутную сре­ду, дифрагирует от беспорядочно располо­женных микронеоднородностей. Это явление можно наблюдать, например, когда узкий пучок солнечных лучей, проходя через за­пыленный воздух, рассеивается на пылин­ках и становится тем самым видимым.

2. в чистых средах, не содержащих посторонних частиц, рассеяние слабое. Объясняется нарушением оптической однородности этих сред, при котором показатель преломления среды не постоянен, а меня­ется от точки к точке. Причиной рассеяния све­та могут быть флуктуации плотно­сти, возникающие в процессе хаотического теплового движения молекул среды.

О пр.15.3. Рас­сеяние света в чистых средах, обусловлен­ное флуктуациями плотности, анизотропии или концентрации, называется молекуляр­ным рассеянием.

Молекулярным рассеянием объясняет­ся, например, голубой цвет неба. Согласно закону Д. Рэлея, интенсивность рассеян­ного света обратно пропорциональна чет­вертой степени длины волны ( ), поэтому голубые и синие лучи рассеиваются сильнее, чем желтые и красные, обус­ловливая тем самым голубой цвет неба. По этой же причине свет, прошедший че­рез значительную толщу атмосферы, ока­зывается обогащенным более длинными волнами (сине-фиолетовая часть спектра полностью рассеивается) и поэтому при закате и восходе Солнце кажется крас­ным. Флуктуации плотности и интенсив­ность рассеяния света возрастают с увели­чением температуры. Поэтому в ясный летний день цвет неба является более на­сыщенным по сравнению с таким же зим­ним днем.

16. Разрешающая способность оптических приборов

Дифракция света имеет существенное значение в приборах для исследования электромагнитных излучений атомов и молекул – спектрографах и спектрометрах. Спектральный прибор представляет любое излучение в виде совокупности монохроматических волн. Любая точка предмета вследствие дифракции отображает­ся в виде центрального светлого пятна, окруженного чередующимися темными и светлыми кольцами; радиус пятна зависит от относительных размеров линз оптической системы.

В ряде спектральных приборов используется дисперсия показателя преломления призм (лекция 1), приводящая к пространственному разделению монохроматических компонент излучения: , где угол падения для излучения с длиной волны , угол падения анализируемого света.

К

ритерий Рэлея - два близлежащих одинаковых точеч­ных источника или две близлежащие спектральные линии с равными интенсивностями условно считаются полностью разрешенными (наблюдаемыми порознь), если максимум интенсивности одного источ­ника (линии) совпадает с первым миниму­мом интенсивности другого (рис. а).

При выполнении критерия Рэлея интенсивность «провала» между максимумами составляет 80% интенсив­ности в максимуме, что является достаточ­ным для разрешения линий и . Если критерий Рэлея нарушен, то наблюдается одна линия (рис.b).

1

. Разрешающая способность объекти­ва. Если на объектив падает свет от двух удаленных точечных источников S₁и S₂ (например, звезд) с некоторым угловым расстоянием , то вследствие дифракции световых волн на краях диафрагмы, огра­ничивающей объектив, в его фокальной плоскости вместо двух точек наблюдаются максимумы, окруженные чередующимися темными и светлыми кольцами. Две близлежащие звезды, наблюдаемые в объективе в моно­хроматическом свете, разрешимы, если уг­ловое расстояние между ними

, (16.1)

где — длина волны света, D — диаметр объектива.

О пр.16.1. Разрешающей способностью (разре­шающей силой) объектива называется ве­личина (16.2)

где — наименьшее угловое расстоя­ние между двумя точками, при котором они еще разрешаются оптическим прибором. При выполнении критерия Рэлея, угловое расстояние между точками должно быть равно :

(16.3)

Следовательно, разрешающая способ­ность объектива (16.4)

Т.е. для увеличения разрешающей способности оп­тических приборов нужно либо увеличить диаметр объектива, либо уменьшить длину волны. Для наблюдения более мелких деталей предмета употребляют ультрафиолетовое излучение, а получен­ное изображение в данном случае наблю­дается с помощью флуоресцирующего эк­рана либо фиксируется на фотопластинке. Еще большую разрешающую способность можно было бы получить с помощью рент­геновского излучения, но оно обладает большой проникающей способностью и проходит через вещество не преломля­ясь; - не­возможно создать преломляющие линзы. Потоки электронов (при определенных энергиях) обладают примерно такой же длиной волны, как и рентгеновское излуче­ние. Поэтому электронный микроскоп име­ет очень высокую разрешающую способ­ность.

О пр.16.2. Разрешающей способностью спек­трального прибора называют безразмер­ную величину (16.5)

где — абсолютное значение минималь­ной разности длин волн двух соседних спектральных линий, при которой эти ли­нии регистрируются раздельно.

Установление длин волн исследуемого излучения в спектральных приборах чаще всего производится путем сравнения длин волн двух близких спектральных линий (одна из которых принадлежит эталонному веществу или излучению). Положение спектральной линии задается углом, определяющим направление лучей.

О пр.16.3. Угловой дисперсией спектрального прибора называется величина (16.6) , где —угловое расстоя­ние между двумя линиями (разница в углах на выходе из призмы или решетки для двух лучей с длинами волн и )

Опр.16.4. Линейной дисперсией спектрального прибора называется величина (16.7) , где —линейное расстоя­ние между линиями, различающимися по длинам волн на .

2. Разрешающая способность дифрак­ционной решетки. В спектральных приборах с дифракционными решетками положение спектральных линий на плоскости наблюдения дается условием максимумов. Пусть максимум т-го порядка для длины волны наблюдается под углом , т.е., согласно (14.6), . При переходе от максимума к соседнему минимуму разность хода ме­няется на ( 14.7), где ­число щелей решетки. Следовательно, ми­нимум , наблюдаемый под углом , удовлетворяет условию . По критерию Рэлея, , т.е. , или . Так как и близки между собой, т.е. , то,

(16.8)

Таким образом, разрешающая способ­ность дифракционной решетки пропорцио­нальна порядку т спектров и числу N ще­лей, т. е. при заданном числе щелей увели­чивается при переходе к спектрам высших порядков. Современные дифракционные решетки обладают довольно высокой раз­решающей способностью (до 2∙10⁵).

Угловая дисперсия дифрак­ционной решетки: , где положение m-го максимума.