Рассеяние света в неоднородных средах. Закон Рэлея.
Рассеянием света называется процесс преобразование света веществом, сопровождающая изменением направления и проявляющиеся как несобственное свечение. Несобственное свечение обусловлено тем, что электроны среды начинают вынужденно колебаться в молекулах и атомах под воздействием электромагнитного поля падающей световой волны. Рассеяние света происходит при распространении света в оптически однородных средах. Среда называется оптически однородной, если показатель преломления есть величина постоянная и не зависит от координаты и времени.
Среда называется оптически неоднородной, если показатель преломления не является постоянной величиной и зависит от координат и времени.
Практически все среды в природе являются оптически неоднородными, но если показатель преломления меняется слабо, то сразу в первом приближении можно считать оптической однородной. Примером оптически неоднородных сред служат дым, туман, аэрозоли, воздух в черте города. По своему физическому смыслу рассеяние света – это дифракция света на неоднородных средах.
Свет,
проходя через мутные среды, дифрагирует
на неоднородностях среды, эти неоднородности
хаотически распределены в среде. На
каждой неоднородности переизлучается
световая волна и эти световые волны
накладываются друг на друга, и происходит
измерение направления свечения.
Интенсивность по всем направлениям
становится практически одинаковой, и
не создается какой-то определенной
дифракционной картины. В зависимости
от размера неоднородностей различают
рассеяние Рэлея рассеяние Ми. Если
размер частички d меньше, чем
,
то говорят о рассеянии Рэлея. Если
,
то рассеяние Ми.
Раньше термин «рассеяние Ми» относили только к частицам, имеющим сферическую форму. Теперь же этот термин относят практически к частицам, имеющим форму вплоть до очень неправильной. Теория Ми является наиболее общей, а теория Рэлея является частным случаем теории Ми.
Рассмотрим Рэлея – это когерентные рассеяние, когда все излучатели лежат в поле волны. Электроны среды, попадающие в электромагнитное поле волны, начинают совершать колебания с частотой волны. Колеблющийся электрон является излучателем. Это излучение является рассеянным, таким образом, модель классического рассеивателя света является типичной (элементарной) излучатель – диполь в электромагнитном поле. Диполь образуется под действием электромагнитного поля падающей волны. Интенсивность рассеянного света определится по формуле (1)
(1)
-
угол рассеяния
-
интенсивность падающего света
- длина волны
-
расстояние от источника света до точки
наблюдения
- объем среды
-
концентрация атомов среды
-
коэффициент, зависящий от степени
неоднородности среды, температуры и
химического состава
Формулу
(1) можно графически проиллюстрировать,
нарисовав так называемую индикатрису
рассеяния. Эта кривая симметрична
и
.
Т
ак
как интенсивность рассеяния света
зависит от направления, то это значит,
что рассеянный свет поляризованный.
Если
,
то свет будет полностью линейно
поляризованным. Интенсивность рассеяния
света обратно пропорционально длине
волны.
I~
-
закон Рэлея
Эта зависимость между интенсивностью называется законом Рэлея. Чем меньше падающего электромагнитного излучения, тем сильнее рассеянный свет. Именно поэтому цвет неба голубой. При восходе и заходе Солнца небо окрашивается в красный цвет. Такая окраска связана с тем, что в верхних слоях атмосферы уже рассеян голубой свет, а так как при восходе и заходе расстояние, которое проходит свет в атмосфере наибольший, то до поверхности земли доходят прямые лучи только красного цвета. Рассеяние Ми также является поляризованным. В зависимости от размера частиц индикатриса рассеяния представлено на следующих рисунках, где видно, что происходит так называемая рассеяние вперед.
Мы видим, что существует всего 1 ось симметрии . Аналитически зависимость интенсивности рассеянии света от угла рассеяния имеет очень сложный вид. При уменьшении размеров частиц, на котором происходит рассеяние, индикатриса рассеянии становится более правильной и она имеет уже две оси симметрии. Рассеяние Ми в отличие от рассеяния Рэлея слабо зависит от . Именно поэтому когда происходит рассеяние света на крупных неоднородностях. Мы видим мутно- серую окраску окружающей среды. Например, дым, туман. Рассеяние происходит в этом случае на достаточно крупных частичках сажи и на молекулах воды, соединенных каплей. Если бы среда совсем не имела неоднородностей, то рассеяние света не происходила бы. Например, если в воздухе, то есть в атмосфере 3, совсем не было бы однородностей, мы бы видели черное небо, и на нем резко контрастное изображение Солнца и звезд. То есть мы поверхность Земли видели такую же картину, как и космонавты, но космические корабли в момент восхода и захода Солнца, если бы мы летели на самолете, мы видели бы при наличии неоднородностей в атмосфере голубое небо.