Рассеяние света. Закон Релея

При прохождении света через вещество, электромагнитная волна возбуждает колебания электронов, что ведет к излучению ими вторичных электромагнитных волн. Вторичные волны распространяются по всем направлениям. В однородных средах вторичные волны, интерферируя, гасят друг друга, не изменяя интенсивности первичной волны и не вызывая рассеяния света. В неоднородных средах вторичные волны, испытывая дифракцию на мелких неоднородностях, создают равновероятное рассеяние по всем направлениям. Среды с мелкими оптическими неоднородностями получили название мутных сред. К их числу относят дым, туман, суспензии, эмульсии и т.д. В результате рассеяния света в боковых направлениях, интенсивность первичной волны уменьшается дополнительно к поглощению ее средой. Соответственно в закон Бугера (2 – 33) вносится добавочный коэффициент ослабления интенсивности первичной волны:

. (2 – 34)

Релей доказал, что интенсивность рассеянного света на неоднородностях, размером не более 0,1 , пропорциональна четвертой степени частоты электромагнитных колебаний первичной волны:

~ , (2 – 35)

т.е. чем меньше длина первичной волны, тем сильнее боковое рассеяние ее интенсивности. Закон Релея подтверждается голубым цветом неба при освещении верхних слоев атмосферы белым светом. При восходе и заходе за горизонт Солнца его диск становится ярко-красным. Это подтверждает, что длинноволновое излучение меньше рассеивается молекулами атмосферы. В средах, с размерами неоднородностей порядка длины волны, интенсивность рассеянного света становится пропорциональной квадрату частоты первичной волны

~ ². (2 – 36)

Эффект Доплера

Эффект Доплера – это явление изменения частоты волны при относительном перемещении источника волн и приемника волн. Для механических волн эффект Доплера выражается формулой:

, (2 – 37)

где - частота волн, излучаемых неподвижным источником, - частота волн, воспринимаемых приемником, - скорость распространения волн в пространстве, - скорость приемника, - скорость источника, - угол между вектором и направлением распространения волн от источника к приемнику (рис.19).

Если источник и приемник сближаются вдоль прямой их соединяющей, формула (2 – 37) принимает вид:

, (2 – 38)

т.е. частота, воспринимаемая приемником, возрастает. Если источник и приемник удаляются друг от друга, то частота, воспринимаемая приемником, уменьшается:

. (2 – 39)

Из приведенных формул следует, что эффект Доплера для механических волн определяется скоростями движения источника и приемника относительно среды, в которой распространяется звук.

В оптике эффект Доплера определяется не скоростями приемника и источника относительно среды, а их относительной скоростью сближения или удаления . Продольный эффект, когда все скорости направлены вдоль одной прямой. Воспринимаемая частота при этом определяется формулой:

(2 – 40)

где верхний знак для сближения, нижний при удалении, С – скорость света в вакууме.

Поперечный эффект Доплера заключается в уменьшении воспринимаемой приемником частоты, когда вектор относительной скорости направлен перпендикулярно к прямой, соединяющей приемник и источник. При движении источника по окружности, в центре которой находится приемник, воспринимаемая им частота равна:

. (2 – 41)

В общем случае, вектор относительной скорости можно разложить на две составляющие: вдоль луча и перпендикулярно к лучу и рассчитать эффект соответственно по формулам (2 – 40) и (2 – 41).

Продольный эффект Доплера позволяет определить радиальные скорости движения звезд, скорости движения автомобилей.