Рассеяние света

Рассеянием света называется явление преобразования света веществом, сопро­вождающееся изменением направления распространения света и проявляющееся как несобственное свечение вещества.

Это свечение обусловлено вынужденны­ми колебаниями электронов в атомах, моле­кулах или ионах рассеивающей среды под действием падающего света. Как показал Л.И. Мандельштам, рассеяние света может возникать только в оптически неоднородной среде, показатель преломле­ния которой нерегулярно изменяется от точ­ки к точке. Примерами таких сред могут служить мутные среды - аэрозоли (дым, туман), эмульсии, коллоидные растворы, матовые стекла и т. п., содержащие мелкие частицы, показатель преломления которых отличается от показателя преломления ок­ружающей среды.

В случае оптически однородной среды ее одинаковые малые (по сравнению с кубом длины волны света) объемы, содержащие равное и притом достаточно большое число молекул, можно рассматривать как фикси­рованные в пространстве когерентные источ­ники вторичных волн. Следовательно, мож­но отвлечься от теплового движения факти­ческих источников вторичных волн — ато­мов и молекул среды, если только это движе­ние не нарушает оптической однородности среды. В такой среде рассеяние света дол­жно отсутствовать, так как для всех направ­лений, отличных от направления первичного пучка света, вторичные волны взаимно га­сятся из-за интерференции.

Иначе обстоит дело в случае оптически неоднородной среды. Если расстояние меж­ду малыми по размеру неоднородностями среды (например, между инородными частицами мутной среды) значительно больше длины волны света, то эти неодно­родности ведут себя как независимые вто­ричные источники света. Излучаемые ими волны не когерентны между собой и при наложении не могут интерферировать, по­этому оптически неоднородная среда рассе­ивает свет по всем направлениям.

Рассеяние света в мутных средах на частицах, размеры которых малы по сравне­нию с длиной волны света , называется явлением Тиндаля. Его можно наблюдать, например, при прохождении яркого пучка света через слой воздуха, заполненный мел­кими частичками дыма, или через сосуд с водой, в которую добавлено немного моло­ка, содержащего небольшие капельки жира. Если мутная среда освещается пучком бе­лого света, то при наблюдении сбоку, т. е. в рассеянном свете, она кажется голу­боватой. В свете, прошедшем сквозь до­статочно толстый слой мутной среды, обна­руживается преобладание длинноволнового света, так что в проходящем свете среда кажется красноватой.

Для рассеянного света справедлив закон Рэлея (1899): интенсивность рассеянного света обратно про­порциональна четвертой степени длины волны: I ~ ^-4

Явление Тиндаля используется в уль­трамикроскопе для обнаружения мельчай­ших коллоидных частиц размером до 10^-9 м и наблюдения за их движением.

По мере увеличения размеров r₀ неоднородностей в мутной среде указанные выше закономерности рассеяния света постепенно искажаются. Для больших частиц, (r >> λ) наблюдается геометрическое рассеяние. В этом случае весь свет, падающий на поверхность крупной частицы рассеивается в стороны. При r >  интенсивность рассеяния вперед больше, чем назад. Это явление называется эффектом Ми. При r₀ >>  спектральный состав рассе­янного света практически совпадает со спектральным составом падающего света. Этим объясняется, например, белый цвет облаков.

Рассеяние света наблюдается также в чистых средах, не содержащих каких-либо частиц примесей (например, в чистых газах и жидкостях, истинных растворах). Оно называется молекулярным рассеянием све­та и обусловлено, как впервые предположил М. Смолуховский (1908), флуктуациями плотности, возникающими в процессе хао­тического теплового движения молекул сре­ды. Дополнительными причинами возникно­вения оптической неоднородности в чистых средах с анизотропными (полярными) мо­лекулами являются флуктуации ориентации молекул (флуктуации анизотропии), а в истинных растворах, кроме того, флук­туации концентрации. А. Эйнштейн, осно­вываясь на идее М. Смолуховского, создал теорию молекулярного рассеяния света (1910). Как показывают расчеты, размеры участков среды, соответствующих более или менее значительным флуктуациям, при обычных условиях значительно меньше длин волн видимого света.

Молекулярным рассеянием в атмосфере коротковолновой части видимого солнечно­го света объясняется голубой цвет неба. По тем же причинам при восходе и закате прямой солнечный свет, прошедший сквозь значительную толщу атмосферы, должен быть красно-оранжевым. Флуктуации плот­ности и интенсивность рассеяния света воз­растают с увеличением температуры. Этим объясняется более насыщенный цвет неба в ясный летний день по сравнению с таким же зимним днем.

Наиболее значительные флуктуации плотности в газах возникают в критическом состоянии, т. е. в состоянии, когда газ по своим свойствам становится тождественным жидкости. При этом наблюдается столь ин­тенсивное рассеяние света, называемое кри­тической опалесценцией, что даже сравни­тельно тонкий слой вещества полностью рассеивает весь падающий на него свет. Молекулярное рассеяние света происходит также и в кристаллических твердых телах. Это явление, значительно более слабое, чем рассеяние в жидкостях, впервые было обнаружено экспери­ментально Г. С. Ландсбергом (1926). Теория мо­лекулярного рассеяния света в кристаллах была разработана Л. И. Мандельштамом. Благодаря сильному взаимодействию между частицами в кристаллах флуктуации плотности, обусловливающие рассеяние света, тесно связаны с упругими свойствами всего кристалла. Случай­но возникшие флуктуации давления и связанные с ними флуктуации плотности должны распро­страняться в кристалле в виде упругих тепловых волн. Исходя из этой основной идеи, Мандель­штам пришел к выводу, что рассеяние света в кристаллах можно рассматривать как результат дифракции падающего света на упругих тепловых волнах гиперзвуковых частот .

Теория Мандельштама оказалась примени­мой не только к кристаллам, но и к аморфным твердым телам и жидкостям. Из нее следовал важный вывод о том, что при молекулярном рас­сеянии света в указанных средах должна су­ществовать тонкая структура спектра рассеянно­го света, обусловленная модуляцией света гипер­звуковыми упругими волнами. Это явление получило название рассеяния Мандельштама — Бриллюэна.