4.3. Рассеяние света

С классической точки зрения процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходя через вещество, возбуждает колебания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны становятся источниками вторичных волн. Вторичные волны являются когерентными и поэтому должны интерферировать. В случае однородной среды вторичные волны гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны. Поэтому рассеяние света, то есть перераспределение его по разным направлениям, отсутствует. В направлении первичной волны вторичные волны, интерферируя с первичной волной, образуют результирующую волну, фазовая скорость которой отлична от скорости света в вакууме. Этим объясняется дисперсия света.

Рис. 4.13

Следовательно, рассеяние света возникает только в неоднородной среде. Такие среды называются мутными. Примерами мутных сред могут быть дымы (взвеси мельчайших частиц в газах); туманы (взвеси капелек жидкости в газах); суспензии, образованные мелкими твердыми частичками, плавающими в жидкости; эмульсии, то есть взвеси частиц одной жидкости в другой (например, молоко – взвесь капелек жира в воде).

Если бы неоднородности располагались в определенном порядке, то при распространении волны получилась бы дифракционная картина с характерным для нее чередованием максимумов и минимумов интенсивности. Однако чаще всего их координаты не только случайны, но еще изменяются со временем. Поэтому вторичное излучение, возникшее на неоднородностях, дает довольно равномерное распределение интенсивности по всем направлениям. Это явление и называют рассеянием света. В результате рассеяния энергия первичного пучка света постепенно уменьшается, как и при переходе энергии возбужденных атомов в другие формы энергии. Так свет уличного фонаря в тумане распространяется не прямолинейно, а рассеивается во всех направлениях, и интенсивность его быстро убывает при удалении от фонаря, как вследствие поглощения, так и из-за рассеяния (рис. 4.13)

Закон Рэлея. Рассеяние света в мутных средах на неоднородностях, размеры которых малы по сравнению с длиной волны, можно наблюдать, например, при прохождении солнечного света через сосуд с водой, в которую добавлено немного молока. При наблюдении сбоку в рассеянном свете среда кажется голубой, то есть в рассеянном излучении преобладают волны, соответствующие коротковолновой части спектра солнечного излучения. Свет же, прошедший через толстый слой мутной среды, кажется красноватым.

Это можно объяснить тем, что электроны, совершающие вынужденные колебания в атомах, эквивалентны диполю, который колеблется с частотой падающей на него световой волны. Интенсивность излучаемого им света пропорциональна четвертой степени частоты, или обратно пропорциональна четвертой степени длины волны:

 ~  ~ .

Это утверждение и составляет содержание закона Рзлея.

Из закона Рэлея следует, что коротковолновая часть спектра рассеивается значительно сильнее длинноволновой. Так как частота голубого света примерно в 1,5 раза больше, чем красного, то и рассеивается он в 5 раз интенсивнее, чем красный. Этим и объясняется голубой цвет рассеянного света и красный свет прошедшего.

Электроны, не связанные в атомах, а свободные – например, в плазме – тоже раскачиваются светом и рассеивают его в стороны. В частности, именно благодаря этому эффекту мы можем наблюдать свечение солнечной короны и, следовательно, получать информацию о стратосфере Солнца.

По материалам сайта www.skyer.ru.