Вопрос№54. Рассеяние света. Виды оптических неоднородностей. Показатель рассеяния. З.Рэлея

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. 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 = I₀e^-ml,где т — показатель рассеяния

При совместном действии поглощения и рассеяния света ослаб­ление интенсивности также является показательной функцией I = I₀e^-μl,,где μ— показатель ослабления μ = т. + k_λ.

Рэлей установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднородностях, приблизительно меньших 0,2λ (λ — длина волны света), а также при молекулярном рассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны

(закон Рэлея): I ~ 1/λ⁴. 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. Меньшее рассеяние красных лучей используют в сигнализа­ции: опознавательные огни на аэродромах, наиболее ответствен­ный свет светофора — красный, и т. п. Если взвешенные частицы велики по сравнению с длиной волны, то рассеяние не соответствует закону Рэлея — в знаменателе дроби будет стоять λ². 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, явление заключается в том, что в спектре рассеяния помимо несме­щенной линии, соответствующей частоте падающего света, появля­ются новые линии, частоты которых v' представляют собой комби­нацию частоты падающего света v₀ и частот v_i (i = 1,2,...) колеба­тельных или вращательных переходов рассеивающих молекул: v'=v₀ ± v_i.

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 энергией Е' в состояние с энергией Е" (Е" > Е'), то энергия фотона после рассеяния станет равной hv_Q - АЕ, где АЕ = Е" - Е'. Соответ­ственно частота кванта уменьшится на v_x = AE/h — возникает спутник с большей длиной волны, который условно называют «красным». Если первоначально молекула находилась в состоянии с энергией Е", она может перейти в результате соударения с фото­ном в состояние с энергией Е', отдав избыток энергии АЕ = Е" - Е' кванту. В результате энергия кванта станет равной hv₀ + АЕ и час­тота увеличится на v_x — возникает спутник с меньшей длиной вол­ны, называемый «синим». Рассеяние кванта hv₀ может сопровож­даться переходами молекулы между различными вращательными или колебательными уровнями Е', 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.