Рассеяние света

Рассеянием света называют явление, при котором распространяющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозмож­ным направлениям.

Необходимое условие для возникновения рассеяния света — наличие оптических неоднородностей, т. е., в частности, областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.

Рассеяние света возникает на оптических неоднородностях среды. Различают два основных вида таких неоднородностей:

1) мелкие инородные частицы в однородном прозрачном веществе. Такие среды являются мутными: дым (твердые частицы в газе), туман (капельки жидкости в газе), взвеси, эмульсии и т. п. Рассеяние в мутных средах называют явлением Тиндаля;

2) оптические неоднородности, возникающие в чистом веществе из-за статистического отклонения молекул от равномерного распределения (флуктуации плотности). Рассеяние света на неоднородностях этого типа называют молекулярным, например рассеяние света в атмосфере.

Уменьшение интенсивности света вследствие рассеяния, как и при поглощении, описывают показательной функцией

I = I₀е ^–ml (24.10)

где m — показатель рассеяния (натуральный).

При совместном действии поглощения и рассеяния света ослабление интенсивности также является показательной функцией

I = I₀е ^–l (24.11)

где  — показатель ослабления (натуральный). Как нетрудно видеть,  = m + k_

Рэлей установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднородностях, приблизительно меньших 0,2, (. — длина волны света), а также при молекулярномрассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорци­ональна четвертой степени длины волны (закон Рэлея):

I ~ 1/⁴ (24.12)

Это означает, что из белого света веществом, например в точкеД (

Рис. 24.3

рис. 24.3), будут преимущественно рассеиваться голубые и фи­олетовые лучи (направление А), а красные — проходить в направ­ленииБ падающего света. Аналогичное явление наблюдается и в природе: голубой цвет неба — рассеянный свет, красный цвет за­ходящего Солнца — изменение спектра белого света из-за значи­тельного рассеяния голубых и фиолетовых лучей в толще атмос­феры при наклонном падении (см. пояснение к рис. 22.3).

Меньшее рассеяние красных лучей используют в сигнализа­ции: опознавательные огни на аэродромах, наиболее ответствен­ный свет светофора — красный, и т. п. Инфракрасные лучи рассе­иваются еще меньше. На рис. 24.4 изображены две фотографии пейзажа: на левой, снятой обычным методом, туман сильно ограничил видимость; на правой, снятой в инфракрасном излучении на специальной пластинке, туман не мешает, он оказался прозрачным для более длинных волн.

Если взвешенные частицы велики по сравнению с длиной волны, то рассеяние не соответствует закону Рэлея (24.12) — в знаменателе дроби будет стоять ². Рассеянный свет теряет свою голубизну и становится белее. Так, пыльное небо городов кажется нам белесым в противоположность темно-синему небу чистых морских просторов.

Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и т. д. приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях и т. д. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы — нефелометрами.

Еще один тип рассеяния света, названный комбинационным рассеянием, был открыт в 1928 г. Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом в Москве и одновременно Ч. В. Раманом в Индии. Это явление заключается в том, что в спектре рассеяния помимо несмещенной линии, соответствующей частоте падающего света, появляются новые линии, частоты которыхпредставляют собой комбинацию частоты падающего света ₀ и частот _i. (i = 1, 2, ...) колебательных или вращательных переходов рассеивающих молекул:

 = ₀ ± _i. (24.13)

Комбинационное рассеяние можно рассматривать как неупругое соударение квантов с молекулами. При соударении квант может отдать молекуле или получить от нее только такие количества энергии, которые равны разностям двух ее энергетических уровней. Если при столкновении с квантом молекула переходит из состояния с энергиейЕ' в состояние с энергиейЕ" (Е" > Е'), то энергия фотонапосле рассеяния станет равной h₀ - Е, где Е = Е" - Е'. Соответственно частота кванта уменьшится на ₁ = E/h — возникает спутник с большей длиной волны, который условно называют «красным». Если первоначально молекула находилась в состоянии с энергиейЕ", она может перейти в результате соударения с фотоном в состояние с энергией Е', отдав избыток энергии Е = Е" - Е' кванту. В результате энергия кванта станет равнойh₀ +Еи частота увеличится на ₁ — возникает спутник с меньшей длиной волны, называемый «синим». Рассеяние квантаh₀ может сопровождаться переходами молекулы между различными вращательными или колебательными уровнямиЕ', Е", Е'" и т. д. В результате возникает ряд симметрично расположенных спутников.

С помощью метода комбинационного рассеяния определяются собственные частоты колебаний молекулы; он позволяет также судить о характере симметрии молекулы. Спектры комбинационного рассеяния настолько характерны для молекул, что с их помощью осуществляется анализ сложных молекулярных смесей. Спектроскопия комбинационного рассеяния дает информацию, аналогичную получаемой инфракрасной спектроскопией, но имеет то преимущество, что позволяет работать с водными растворами молекул, используя видимый свет, для которого растворитель прозрачен.

Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и другое приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях, форме частиц и так далее. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы -нефелометрами.

13