45. Искусственная анизотропия

Пьезооптический эффект – возникновение оптической анизотропии в первоначально изотропных веществах под воздействием механических напряжений. При этом среды проявляют свойства одноосных кристаллов. Исследователи: немецкий ученый Зеебек (1813г.) (Томас Иоганн Зеебек, немецкий физик, 1770–1831) и английский ученый Брюстер (1816г.) (Дэвид Брюстер, шотландский физик, 1781–1868).

Этот эффект – следствие зависимости диэлектрической проницаемости от деформации и проявляется в виде двойного лучепреломления или дихроизма (см §3.7). Разность показателей преломления необыкновенного и обыкновенного лучей пропорциональна механическому напряжению

вызывающему деформацию: n_e-n₀=b

Эффект Керра

Керр (1875г.) (Джон Керр, шотландский физик, 1824–1907) исследовал связь между оптическими и электрическими явлениями и установил, что оптически изотропное вещество в электрическом поле приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью, коллинеарной вектору напряженности электрического поля.

Устанавливается следующее отношение между показателями преломления необыкновенного и обыкновенного лучей:

n_e-n₀=B ²

где В – постоянная Керра. При прохождении пути l разность оптического хода обыкновенного и необыкновенного лучей равна:

²L

и разность фаз δϕ=

КЕРРА ЭФФЕКТ, 1) электрооптический Керра эффект - возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных средах (жидкостях, стеклах) под действием электрического поля. Открыт шотландским физиком Дж. Керром в 1875. На Керра эффекте основана так называемая ячейка Керра, представляющая собой плоский конденсатор, заполненный жидкостью, и использующаяся как оптический затвор: в начальных условиях свет не пропускает, а при включении электрического поля пропускает; обладает большим быстродействием (10-9-10-13 с). 2) Магнитооптический эффект Керра состоит в том, что плоскополяризованный свет, отражаясь от намагниченного ферромагнетика, становится эллиптически поляризованным.

Электрооптический К. э.- квадратичный электро-оптич. эффект, возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах (газах, жидкостях, кристаллах с центром симметрии, стёклах) под действием внеш. однородного электрич. поля. Оптически изотропная среда, помещённая в электрич. поле, становится анизотропной, приобретает свойства одноосного кристалла оптич. ось к-рого направлена вдоль поля.

Малая инерционность эффекта Керра (~10^-10 с) позволяет широко использовать это явление (ячейки Керра - модуляторы).

Эффект Коттона – Мутона (1910г.).

Эффект Коттона–Мутона - аналог эффекта Керра в магнитном поле (Эжени Коттон, французский физик, 1881–1967). Если молекулы анизотропны и обладают постоянными магнитными моментами, то они могут преимущественно ориентироваться постоянным магнитным полем. В достаточно сильных магнитных полях возникает анизотропия, появляется двойное лучепреломление. В этом случае среда ведет себя как оптически одноосный кристалл.

Зависимость разности показателей преломления (n_e - n_o) от индукции магнитного поля B при распространении света перпендикулярно к оптической оси:

N_e+n₀=C B²

где С – постоянная, зависящая от свойств среды и ее физического состояния. В отличие от эффекта Фарадея, здесь наблюдается квадратичная зависимость от величины магнитного поля.

3.8.4. Линейный электрооптический эффект Поккельса.

Изменение двойного лучепреломления вещества из-за смещения собственной частоты во внешнем электрическом поле – электрооптический эффект Поккельса. (Фридрих Карл Поккельс, немецкий физик, 1865–1913).

N_e+n₀=

Керра ячейка, электрооптическое устройство, основанное на эффекте Керра, применяемое в качестве оптического затвора или модулятора света. Является наиболее быстродействующим устройством для управления интенсивностью светового потока (скорость срабатывания 10-9-10-12 сек). Керра ячейка состоит из сосуда с прозрачными окнами, заполненного жидкостью, в которой имеет место эффект Кера. В жидкость погружены два электрода, образующие плоский конденсатор. Между электродами проходит световой луч. Сосуд помещается между поляризатором и анализатором света, находящимися в скрещенном положении. Направление электрического поля Е в конденсаторе составляет угол 45° с направлениями электрического поля поляризованных световых колебаний (см. Поляризация света). В отсутствии электрического поля анализатор не пропускает света. При включении электрического поля в жидкости возникает двойное лучепреломление. В результате этого Керра ячейка становится прозрачной для проходящего света (см. Керра эффект). В зависимости от заполняющей жидкости (применяются жидкости с большой постоянной Керра, например нитробензол и размеров ячейки максимальная прозрачность достигается при напряжении на электродах V от 3 до 30 кв.

46. Дисперсия света

1.1. Преломление светового луча в призме

Проходя через призму, луч солнечного света не только преломляется, но и разлагается на различные цвета.

Диспе́рсия све́та (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.

Пространственной дисперсией называется зависимость тензора диэлектрической проницаемости среды от волнового вектора. такая зависимость вызывает ряд явлений, называемых эффектами пространственной поляризации.

Один из самых наглядных примеров дисперсии — разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе — оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней:

у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,

у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

Однако в некоторых веществах (например в парах йода) наблюдается эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. Говоря строже, аномальная дисперсия широко распространена, например, она наблюдается практически у всех газов на частотах вблизи линий поглощения, однако у паров йода она достаточно удобна для наблюдения в оптическом диапазоне, где они очень сильно поглощают свет.

Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света.

Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр — равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.

По аналогии с дисперсией света, также дисперсией называются и сходные явления зависимости распространения волн любой другой природы от длины волны (или частоты). По этой причине, например, термин закон дисперсии, применяемый как название количественного соотношения, связывающего частоту и волновое число, применяется не только к электромагнитной волне, но к любому волновому процессу.

Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая).

Дисперсия является причиной хроматических аберраций — одних из аберраций оптических систем, в том числе фотографических и видео-объективов.

Коши пришел к формуле, выражающей зависимость показателя преломления от длины волны:

n = a + b / L2 + c / L4 + …, где:

L — длина волны в вакууме;

a, b, c, … — постоянные, значения которых для каждого вещества должны быть определены в опыте. В большинстве случаев можно ограничиться двумя первыми членами формулы Коши.

Дисперсия света. В яркий солнечный день закроем окно в комнате плотной шторой, в которой сделаем маленькое отверстие. Через это отверстие будет проникать в комнату узкий солнечный луч, образующий на противоположной стене светлое пятно. Если на пути луча поставить стеклянную призму, то пятно на стене превратится в разноцветную полоску, в которой будут представлены все цвета радуги—от фиолетового до красного

Прохождение света через скрещенные призмы. Перед отверстием А, пропускающим в затемненную комнату узкий пучок солнечных лучей, помещают призму с горизонтально ориентированным преломляющим ребром (рис. 4.3,а).

Н а экране возникает вытянутая по вертикали цветная полоска КФ, крайняя нижняя часть которой окрашена в красный цвет, а крайняя верхняя - в фиолетовый. Обведем карандашом контуры полоски на экране. Затем поместим между рассматриваемой призмой я экраном еще одну такую же призму, но при этом преломляющее ребро второй призмы должно быть ориентировано вертикально, т. е. перпендикулярно к преломляющему ребру первой призмы. Световой пучок, выходящий из отверстия А, проходит последовательно через две скрещенные призмы. На экране возникает полоска спектра К'Ф', смещенная относительно контура КФ по оси Х. При этом фиолетовый конец полоски оказывается смещенным в большей мере, нежели красный, так что полоска спектра выглядит наклоненной к вертикали. Ньютон приходит к выводу: если опыт с одиночной призмой позволяет утверждать, что лучам с разной степенью преломляемости соответствуют разные цвета, то опыт со скрещенными призмами доказывает также и обратное положение — лучи разного цвета обладают разной степенью преломляемости. Действительно, луч, наиболее преломляющийся в первой призме, есть фиолетовый луч; проходя затем через вторую призму, этот фиолетовый луч испытывает наибольшее преломление. Обсуждая результаты опыта со скрещенными призмами, Ньютон отмечал: «Из этого опыта следует также, что преломления отдельных лучей протекают по тем же законам, находятся ли они в смеси с лучами других родов, как в белом свете, или преломляются порознь или предварительном обращении света в цвета».

ДИСПЕРГИРУЮЩАЯ СРЕДА - распределённая среда, параметры к-рой зависят от частот и волновых векторов k возбуждаемых в ней гармонич. полей. Понятие Д. с. чётко устанавливается только для линейных однородных сред, где гармонич. поля могут существовать самостоятельно (см. Нормальные волны). При описании Д. с. принято говорить о дисперсии того или иного конкретного параметра: проводимости, показателя преломления, модуля упругости и т. д. Различают дисперсию временную (зависимость параметра от ) и пространственную (зависимость от k), однако в тех случаях, когда в гармонич. процессах связаны дисперсионным уравнением, такое разделение видов дисперсии является условным.

Осн. свойства Д. с., общие для эл--динамич., акустич., квантовомеханич. и др. систем, могут быть пояснены на примере диэлектрич. среды, характеризуемой проницаемостью или связанной с ней восприимчивостью В предположении о полном отсутствии дисперсии связь поляризации (t - время, r - координаты точки наблюдения) с инициирующим её электрич. полем E (t, r)является мгновенной и локальной:

47.

48. Дисперсией в оптике называется разложение луча белого света в спектр при пропускании его через призму. Это связано с тем, что электромагнитные волны с разной частотой колебаний обладают разными коэффициентами преломления в стекле, а это, в свою очередь связано с тем, что скорость света в стекле зависит от длины волны. Таким образом, именно нелинейный закон дисперсии для света в стекле приводит к классическому явлению дисперсии.

Дисперсия света – это явление зависимости абсолютного показа-теля преломления вещества от длины волны (или частоты) света, или, что то же самое, зависимость фазовой скорости распространения света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально дисперсия света открыта И.Ньютоном около 1672 г., хотя теоретически достаточно хорошо была объяснена значительно позднее.

Для всех прозрачных веществ показатель пре-ломления n увеличивается с уменьшением длины волны λ света: dn/dλ<0. В видимом диапазоне (380–740 нм) длина волны света увеличивается от фиолето-вого (380–440 нм) к крас-ному (625–740 нм). То есть для оптически прозрачных сред красный свет имеет минимальный показатель преломления

максимальную скорость распространения), а фиолетовый – максимальный показатель преломления (минимальную скорость распространения). Та-кую дисперсию света называют нормальной.

Дисперсия света называется аномальной, если показатель пре-ломления n уменьшается с уменьшением длины волны λ света: dn/dλ>0 Аномальная дисперсия наблюдается практически у всех газов вблизи линии поглощения. Для оптически прозрачных стекол аномальная дис-персия наблюдается в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. Вдали от линии поглощения дисперсия того же вещества носит нормальный характер (рис. 1). Область длин волн, в которой наблюда-ется аномальная дисперсия, соответствует ширине линии (полосы) по-глощения данного вещества. Если вещество имеет несколько линий (полос) поглощения, то аномальная дисперсия наблюдается вблизи каж-дой из них.

М ОНОХРОМАТОР – СП, предназначенный для выделения из спек-тра узкого интервала длин волн. Монохроматор обязательно имеет вы-ходную щель и устройство сканирования спектра. Форма его фокальной поверхности не важна. Важно, чтобы при сканировании спектра остава-лись неизменными и положения щелей, и направления входящего и вы-ходящего пучков света. Иначе прибор будет трудно сопрячь с источником света и облучаемым объектом

49. В основе теории дисперсии и абсорбции света лежат линейные уравнения. По этой причине показатели преломления n и затухания a в этой теории постоянны, т.е. не зависят от интенсивности света. Амплитуда монохроматической волны при ее распространении убывает по закону А = A₀exp (-2Пиgd/ ), а интенсивность — по закону I=I₀e^-ad(1), где а =4Пиg/ — коэффициент затухания (поглощения), зависящий, вообще говоря, от длины волны. Числовое значение этого коэффициента а показывает толщину слоя d, равную 1/a, после прохождения которого интенсивность плоской волны падает в е = 2,72 раза. Их формулы d=1/a можно сделать вывод об размерности a=[см^-1]. Формула (1) выражает так называемый закон Бугера. Сущность этого закона состоит в том, что для монохроматического света коэффициент затухания (поглощения) а не зависит от интенсивности света. На опытах поглощение света в некоторых растворах, было установлено, что постоянство коэффициента поглощения а соблюдается с точностью не менее 5 % в крайне широком интервале изменения интенсивности света — от 2,0 - 2,5-10^-19 Вт/см².

Как правило, спектры поглощения твердых тел и жидкостей (включая и растворы красок) дают широкие полосы поглощения (плавный ход коэффициента а), хотя встречаются вещества со сравнительно узкими полосами поглощения (соли редких земель), которые, тем не менее, в сотни и тысячи раз шире линий поглощения атомарных газов. Спектр поглощения многоатомных газов представляет ряд более или менее сложных полос, а одноатомные газы (пары металлов) характеризуются резкими линиями поглощения, ширина которых нередко измеряется сотыми долями ангстрема. По мере повышения давления газов спектры поглощения их становятся все более и более расплывчатыми и при высоких давлениях приближаются к спектрам поглощения жидкостей. Эти наблюдения с очевидностью показывают, что расширение узких полос поглощения есть результат взаимодействия атомов друг с другом.

Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением. За последние годы особое развитие получил анализ молекулярного состава сложных смесей, основанный на измерении поглощения в ультрафиолетовой и особенно в инфракрасной областях спектра. Спектры поглощения многих органических молекул оказываются очень характерными, благодаря чему удается надежно устанавливать как молекулярный состав, так и количественное содержание отдельных компонент в смеси. Метод этот отличается большой чувствительностью, ибо при малых концентрациях исследуемого вещества можно увеличить поглощение за счет увеличения толщины слоя d. При исследовании смесей очень сложного состава возникают затруднения вследствие наложения полос поглощения разных веществ. Эти затруднения в большей степени проявляются в ультрафиолетовой области, чем в инфракрасной, ибо, как правило, полосы поглощения в ультрафиолетовой (и видимой) части спектра шире, чем в инфракрасной. Существенную помощь при анализе оказывает предварительная подготовка которая позволяет разделить сложную смесь на ряд фракций более простого состава. Нередко очень полезным оказывается переход от жидкостей к парам.

50. Спектра́льная ли́ния — особенность участка спектра, выражающаяся в локальном повышении (светлые, эмиссионные линии, спектральные максимумы) или понижении (тёмные линии, линии поглощения, спектральные минимумы) уровня сигнала.

Линии поглощения в электромагнитных спектрах образуются, когда излучение проходит через сравнительно холодное прозрачное вещество. Атомы обладают способностью поглощать кванты электромагнитного излучения строго определённых энергий (частот), а затем переизлучать их в произвольном направлении. В итоге масса вещества рассеивает в стороны излучение на некоторых частотах, и они не попадают к наблюдателю, образуя в наблюдаемом спектре темные (тусклые) участки — линии. По аналогии — спектральная линия излучения, где определенные частоты не рассеиваются, а наоборот усиливаются, тем самым детектор будет выделять усиленные частоты.

Спектральные линии очень сильно атомарно-зависимы, и могут быть использованы для определения химического состава практически любого тела или материала, которое пропускает через себя свет (обычно используется газ). Спектральные линии широко используются для определения химического состава звезд и других удаленных объектов космоса, которые не могут быть исследованы другими способами.

Следует принять во внимание, что при поглощении света молекула переходит в новое, возбужденное состояние, запасая поглощенную энергию. Пока она находится в таком состоянии, ее способность поглощать свет изменена. То обстоятельство, что в опытах Вавилова закон Бугера соблюдался при самых больших интенсивностях, оказывает, что число таких возбужденных молекул в каждый момент остается незначительным, т.е. они очень короткое время находятся в возбужденном состоянии. Действительно, для веществ, с которыми были выполнены указанные опыты, его длительность не превышает 10^-8 с. К этому типу относится огромное большинство веществ, для которых, следовательно, справедлив закон Бугера. Выбрав специально вещества со значительно большим временем возбужденного состояния, Вавилов мог наблюдать, что при достаточно большой интенсивности света коэффициент поглощения уменьшается, ибо заметная часть молекул пребывает в возбужденном состоянии. Эти отступления от закона Бугера представляют особый интерес, так как они представляют собой исторически первые указания на существование нелинейных оптических явлений, т.е. явлений, для которых несправедлив принцип суперпозиции. Таким образом, закон Бугера имеет ограниченную область применимости. Однако в огромном числе случаев, когда интенсивность света не слишком велика и продолжительность пребывания атомов и молекул в возбужденном состоянии достаточно мала, закон Бугера выполняется с высокой степенью точности.

Бугер рассмотрел вопрос о поглощении света средой, плотность которой не везде одинакова, и высказал убеждение, что «свет может претерпевать равные изменения, лишь встречая равное число частиц, способных задерживать лучи или рассеивать их», и что, следовательно, для поглощения имеют значение «не толщины, а массы вещества, содержащиеся в этих толщинах». Этот второй закон Бугера приобретает большое практическое значение, ибо опыт действительно показал, что во многих случаях, когда имеет место поглощение света молекулами газов или молекулами вещества, растворенного в практически непоглощающем растворителе, коэффициент поглощения оказывается пропорциональным числу поглощающих молекул на единицу длины пути световой волны или, что то же, на единицу объема, т.е. пропорционален концентрации С. Другими словами, коэффициент абсорбции а выражается соотношением а = Ас, и обобщенный закон Бугера принимает вид I=I₀exp(-Acd), где А — новый коэффициент, не зависящий от концентрации и характерный для молекулы поглощающего вещества. Утверждение, что А есть постоянная величина, не зависящая от концентрации, нередко именуется законом Бера. Его физический смысл состоит в том, что поглощающая способность молекулы не зависит от влияния окружающих молекул. Закон этот надо рассматривать скорее как правило, ибо наблюдаются многочисленные отступления от него, особенно при значительном увеличении концентрации, т.е. значительном уменьшении взаимного расстояния между молекулами поглощающего вещества. Точно так же нередко можно обнаружить зависимость А для растворенных веществ от природы растворителя, что также указывает на влияние окружающих молекул на поглощательную способность изучаемой молекулы. В тех случаях, когда А можно считать не зависящим от концентрации, обобщенный закон Бугера оказывается очень полезным для определения концентрации поглощающего вещества путем измерения поглощения, которое может быть выполнено очень точно при помощи фотометров более или менее сложной конструкции. Этим приемом нередко пользуются в лабораторной и промышленной практике для быстрого определения концентрации веществ, химический анализ которых оказывается очень сложным.

51. Парниковый эффект атмосфер обусловлен их различной прозрачностью в видимом и дальнем инфракрасном диапазонах. На диапазон длин волн 400—​1500 нм в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне приходится 75 % энергии солнечного излучения, большинство газов не поглощают в этом диапазоне; рэлеевское рассеяние в газах и рассеяние на атмосферных аэрозолях не препятствуют проникновению излучения этих длин волн в глубины атмосфер и достижению поверхности планет. Солнечный свет поглощается поверхностью планеты и её атмосферой (особенно излучение в ближней УФ- и ИК-областях) и разогревает их. Нагретая поверхность планеты и атмосфера излучают в дальнем инфракрасном диапазоне: так, в случае Земли при <T_s> равном 300 K, 75 % теплового излучения приходится на диапазон 7,8—28 мкм, для Венеры при <T_s> равном 700 K — 3,3—12 мкм.( <T_s> - поверхностная t планеты).

Атмосфера, содержащая газы, поглощающие в этой области спектра (т.н. парниковые газы — H₂O, CO₂, CH₄), существенно непрозрачна для такого излучения, направленного от её поверхности в космическое пространство, то есть имеет в ИК-диапазоне большую оптическую толщину. Вследствие такой непрозрачности атмосфера становится хорошим теплоизолятором, что, в свою очередь, приводит к тому, что переизлучение поглощённой солнечной энергии в космическое пространство происходит в верхних холодных слоях атмосферы. В результате эффективная температура Земли как излучателя оказывается более низкой, чем температура её поверхности.

Озон О₃ играет важную роль в атмосферных процессах, хотя и содержится в воздухе в ничтожном количестве — менее по объему.

что спектры Солнца и звезд «обрезаны» с ультрафиолетового конца, примерно с =2600 ангстрем. Было доказано, что поглощающим веществом в земной атмосфере является действительно озон, слой которого расположен в атмосфере выше 20 км.

Так как поглощение ультрафиолетовой радиации озоном велико, большая часть ее (около 1,5% солнечной энергии) поглощается уже в самой верхней части слоя озона, вследствие этого на высоте 40 – 55 км воздух очень теплый. При этом распределение озона, как и погода, постояннее всего в экваториальном поясе и изменчивее всего в околополярной зоне.

Их все объединяют в несколько семейств, главными из которых является азотное, кислородное (из механизма Чепмена), водородное и галогеновое. Эти реакции представляют собой каталитические циклы, поэтому их также называют соответствующими циклами.

Доля галогенового пути распада стратосферного озона увеличилась в результате деятельности человека, что привело к возникновению озоновых дыр.

52.Плоская волна распространяющаяся в однородной среде, остается плоской. Однако если среда неоднородна и в ней имеются включения с др оптическими св-вами, то кроме волны, распространяющейся в первоначальном направлении, появляются волны рассеянные в стороны. Эти волны уносят с собой определенную долю энергии, и тем самым постепенно уменьшают Е первоначального луча.

Характер рассеяния одиночной частицей зависит от соотношением между ее радиусом r и длиной волны рассеиваемого света . В зависимости от величины r/ следует различать три различные области:

1.Для больших частиц при r>> наблюдается чисто геометрическое рассеяние. Падающие на разные участки поверхности частицы свет отражается под разными углами. Можно считать что весь свет, падающий на переднюю поверхность крупной частицы S=2Пиr², рассеивается в стороны. Если в единице объема имеется N рассеивающих частиц, то при прохождении первичным пучком в среде пути из лучистого потока Ф_пад рассеивается в стороны доля: Ф_рас=Ф_падSN x.

2. Анализ рассеяния света очень мелкими частицами при r<< был произведен Релеем. В периодически колеблющемся с частотой электрическом поле падающей волны Епад возникают вынужденные колебания связанных разрядов, составляющих частицу. Вектор поляризации Р пропорционален полю

P=x ₀E_пад=(( -1)/k₀4Пи)* ₀Е_пад=((n₂-1)/k₀4Пи)* ₀E_пад и полный дипольный момент частицы(с объемом V=4Пиr³/3) P =VP=((n -1)/k 4Пи)* ₀E_падV (1) изменяется с той же частотой =с/ . Такой колеблющийся диполь излучает электромагнитные волны, интенсивность которых пропорциональна S~E²~( ₂P_V)²-(P_V)²/ ⁴ и различна в разных направления относительно оси диполя. Учитывая (1) имеем

S~(((n²-1)²V²)/ ⁴)*E_пад~(((n²-1)²V²)/ ⁴)*S_пад. Точный расчет произведенный Релеем, дает для лучистого потока, рассеяного частицами во все стороны на пути х:

Ф_расс=Ф_пад*(24Пи³/ ⁴)*NV²((n²-1)²)/(n²+2)²* х.

3. Для частиц размеры которых сравнимы с длиной волны r , основным является дифракционное рассеивание. Коэф. Рассеивания определяется по формуле:

K_расс=1* Ф_расс/Ф_пад* х Перечисленные выводы показывают, что рассеивание света дымом или туманом зависит не только от массы(m) дымообразующего в-ва, приходящегося на ед. объема среды, но и от степени дробления частиц, те от их r. Плотность частиц ( ). m=N V=4/3Пиr³ N =>N~M/r³

Для крупных частиц маскирующая способность будет равна коэф рассеяния на массу (К_рас/m) и~1/r; для мелких частиц: ~r³. Максимальная маскирующая способность длжна достигаться при промежуточных размерах частиц, те в обл дифракционного рассеивания.

Из-за узости спектральной области резонансного Р. с. оно различно для разных ширин спектра падающего излучения: если последняя уже ширины атомной линии, то в рассеянном излучении повторяется спектр падающего; при обратных условиях спектр рассеянного излучения имеет форму атомной линии. При этом обнаруживаются некогерентность и инерция Р. с. Отмеченные спектральные особенности резонансного Р. с. объясняются острой селективностью взаимодействия света с атомом, связанной с длит. затуханием возбуждения атомного осциллятора.

Рассеяние света макроскопич. неоднородностями - обычно многократное рассеяние в дисперсных средах. В оптически тонких дисперсных средах характер Р. с. определяется усреднёнными индивидуальными свойствами отд. частиц: размерами, формами, отличием их показателей преломлений от показателя преломления окружающей среды и т. д. Р. с. в оптически толстых дисперсных средах описываются ур-ниями переноса плот-ности некогерентного излучения (см. Перенос излучения), для решения к-рых разработаны спец. численные методы.

Н аглядное изображение Р. с. даёт индикатриса рассеяния (полярная диаграмма), показывающая распределение относит. интенсивности рассеянного света по направлениям (рис). Вид индикатрисы зависит от частоты, поляризации и направления падающего излучения. Обычно используются индикатрисы для излучения, поляризованного в плоскости рассеяния, проходящей через волновые векторы k и k' падающего и рассеянного излучений, и поляризованного перпендикулярно этой плоскости.

Индикатрисы дипольного рассеяния падающего слева неполяризованного (естественного) (а) и линейно поляризованного (б)света.

53. Молекулярное рассеяние света - рассеяние в макроскопически однородных средах на микроскопич. неоднородностях - спонтанно появляющихся и исчезающих флуктуациях термодинамич. параметров среды: плотности, темп-ры и т. п. При этом оптич. неоднородность изотропной среды определяется неоднородностью диэлектрич. проницаемости e(r, t), в к-рой есть регулярная составляющая < > стохастическая < >(r,t)= (r,t)- < >связанная с флуктуациями термодинамич. параметров среды. Т. к. даже в оптически изотропной среде, в к-рой-< > скалярная величина, возможны флуктуации анизотропии, то < >(r,t)-величина тензорная.

Если к наблюдателю, обращенному лицом вверх, приходят только лучи рассеянные в атмосфере, в соответствии с З-ном Релея.(K~1/ ⁴) показывает что гл образом сине-фиолетовые лучи, и тем самым вполне объясняет причину голубого света неба. До наблюдателя 2 доходят лишь прямые нерассеянные лучи. Во время восхода и заката лучи проходят очень большой путь в атмосфере, так что сине –фиолетовая часть неба будет практически рассеяна. Именно это обстоятельство обуславливает красный цвет Солнца при его восходе или закате.

Изучение молекулярного рассеяния света может служить удобным методом для определения молекулярного веса и размеров больших молекул в растворах.

54. Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана) — неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты излучения. В отличие от рэлеевского рассеяния, в случае комбинационного рассеяния света в спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества.

С точки зрения квантовой теории: Происхождение данного эффекта удобнее всего объяснить в рамках квантовой теории излучения. Согласно ей, излучение частоты ν рассматривается как поток фотонов с энергией hν, где h — постоянная Планка. При столкновениях с молекулами фотоны рассеиваются. В случае упругого рассеивания, они будут отклоняться от направления своего движения, не изменяя своей энергии (Рэлеевское рассеяние). Но может быть и так, что при столкновении произойдет обмен энергией между фотоном и молекулой. Молекула при этом может как приобрести, так и потерять часть своей энергии в соотвествии с правилами квантования - ее энергия может измениться на величину ΔE, соответствующую разности энергий двух разрешенных ее состояний. Иначе говоря, величина ΔЕ должна быть равна изменению колебательной и/или вращательной энергий молекулы. Если молекула приобретает энергию ΔЕ, то после рассеяния фотон будет иметь энергию hν—ΔЕ и соответственно частоту излучения ν—ΔE/h. А если молекула потеряет энергию ΔЕ, частота рассеяния излучения будет равна ν+ΔE/h. Излучение, рассеянное с частотой, меньшей чем у падающего света, называется стоксовым излучением, а излучение с большей частотой называется антистоксовым.[2] При не очень высоких температурах населенность первого колебательного уровня невелика, при комнатной температуре при колебательной частоте 1000 см-1 на первом колебательном уровне находится всего 0.7% молекул, поэтому интенсивность антистоксова рассеяния мала. С повышением температуры населенность возбужденного колебательного уровня возрастает и интенсивность антистоксова рассеяния растет.