6.4 Рассеяние света

С классической точки зрения процесс рассеяние света заключается в том, что свет, проходящий через вещество, вызывает колебание электронов в атоме. Колебание электронов возбуждают вторичные волны, распространяющиеся по всем направлениям. Это явление, казалось бы, должно приводить к рассеянию света. Однако, в силу того, что вторичные волны когерентны, эти вторичные волны при интерференции гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны.

Р азделим мысленно всю среду на одинаковые объемы V_i, содержащие достаточно много молекул, но размеры их малы по сравнению с длиной волны. В результате действия волны на электроны атомов возникают вторичные волны, которые распространяются во всех направлениях. Элемент V₁ излучает волны в некотором направлении  определенной амплитуды и фазы. На плоскости, перпендикулярной направлению первичной волны и содержащей V₁, можно выделить такой V₂, который излучает в том же направлении  вторичную волну той же амплитуды, но сдвинутую по фазе на . Эти волны полностью гасят друг друга. В этом случае расстояние между V₁ и V₂ должно быть равно . Всю плоскость S можно представить состоящей из таких пар малых объемов как V₁ и V₂, тогда рассеяния в направлении  не будет. Подобные рассуждения справедливы для всех  кроме . В этом направлении все вторичные волны имеют одинаковую фазу. Поэтому наложение таких волн дает проходящую волну. Таким образом, среда, состоящая из одинаковых атомов, свет не рассеивает. Такие среды называют оптически однородными.

Вторичные волны не гасят друг друга в боковых направлениях только при распространении света в неоднородной среде. Дифрагируя на неоднородностях среды, они дают дифракционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распространением интенсивности. Такую дифракцию называют рассеянием. Среды с явно выраженными неоднородностями носят название мутных. К ним относят дым, туман, эмульсии, твердые тела вроде перламутра, матовых стекол и другие. Свет, рассеянный на частицах, размеры которых значительно меньше длины волны, частично поляризован. Это объясняется тем, что колебание электронов происходит в плоскости, перпендикулярной к пучку. Колебание во вторичной волне происходит в плоскости колебания электронов. Поэтому свет, рассеянный в направлении, перпендикулярном к пучку, будет полностью поляризован. В результате рассеяния интенсивность света в направлении распространения волны убывает по закону

, (6.4.1)

где  – коэффициент поглощения,  – коэффициент рассеяния света.

Если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной волны, то интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны

. (6.4.2)

Эту зависимость называют законом Рэлея.

Рассеяние может происходить даже в тщательно очищенных веществах. Это связано с флуктуациями плотности вещества, которые вызываются хаотическим движением молекул вещества, поэтому обусловленное ими рассеяние света называется молекулярным.

Часть 2 Квантовая оптика