Далее: Эффект Вавилова-Черенкова Вверх: Лекция 17. Назад: Поглощение света

Рассеяние света

Механизм рассеяния света. С классической точки зрения рассеяние света состоит в том, что световая волна, проходящая через вещество, вызывает колебания электронов в атомах (молекулах). Эти электроны возбуждают вторичные волны, распространяющиеся по всем направлениям. При этом вторичные волны оказываются когерентными между собой и поэтому интерферируют.

Теоретический расчет приводит к следующему выводу: в случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны (это было показано в конце стр.[перейти]). В силу этого перераспределения света по направлениям, т. е. рассеяния света в однородной среде, не происходит.

Иначе обстоит дело при распространении света в неоднородной среде. В этом случае световые волны, дифрагируя на мелких неоднородностях среды, дают дифракционную картину в виде довольно равномерного распределения интенсивности по всем направлениям. Это явление и называют рассеянием света.

Примерами таких сред с явно выраженной оптической неоднородностью могут служить так называемые мутные среды. К их числу относятся аэрозоли (дым, туман), коллоидные растворы, матовые стекла и др., содержащие мелкие частицы, показатель преломления которых отличается от показателя преломления окружающей среды.

Закон Рэлея. Рассеяние света в мутных средах на неоднородностях, размеры которых малы по сравнению с длиной волны $\lambda$, можно наблюдать, например, при прохождении яркого светового пучка через слой воздуха с мелкими частичками дыма или через сосуд с водой, в которую добавлено немного молока. Если мутную воду освещать пучком белого света, то при наблюдении сбоку — в рассеянном свете — среда кажется голубой, т. е. обнаруживается преобладание коротковолновой части спектра. В свете же, прошедшем сквозь достаточно толстый слой мутной среды, обнаруживается преобладание длинноволновой части спектра, и среда кажется красноватой.

Причина такого явления состоит в том, что электроны, совершающие вынужденные колебания в атомах электрически изотропной частицы малого размера (не более $\sim0,1\lambda$), эквивалентны одному колеблющемуся диполю. Этот диполь колеблется с частотой падающей на него световой волны, и согласно (33(см. Лекция 3, формула 44))⁵ интенсивность излучаемого им света

$$\fbox{$ I\sim\omega^4\sim\frac{\displaystyle1}{\displaystyle\lambda^4}$} .$$ (34)

Эту зависимость называют законом Рэлея. Из него следует, что коротковолновая часть спектра рассеивается значительно более интенсивно, нежели длинноволновая. Голубой свет, частота которого примерно в 1,5 раза больше частоты красного света, рассеивается почти в 5 раз интенсивнее, чем красный. Это и объясняет голубой цвет рассеянного света и красноватый — прошедшего.

Поляризация рассеянного света. При рассеяннии естественного света в мутной среде зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния $\vartheta$ имеет вид

$$I=I_0(1+\cos^2\vartheta),$$ (35)

где $I_0$ — интенсивность света, рассеянного под прямым углом $\left(\vartheta = {\displaystyle\pi\over\displaystyle2}\right)$ к направлению первичного светового пучка. Если молекулы рассеивающих частичек электрически изотропны (неполярные молекулы), то рассеиваемый свет оказывается частично-поляризованным и под углом $\vartheta = {\displaystyle\pi\over\displaystyle2}$ — полностью поляризованным. В этом случае его плоскость поляризации (плоскость колебаний вектора $\mathbf{E}$) перпендикулярна направлению первичного светового пучка.

Если размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны света, то электроны в различных местах неоднородности колеблются уже не синфазно. Это усложняет явление рассеяния и приводит к другим закономерностям: закон Рэлея нарушается (интенсивность рассеянного света становится пропорциональной всего лишь квадрату частоты, $I\sim\omega^2 \sim {1\over\lambda^2}$), и свет, рассеянный под углом $\vartheta = {\displaystyle\pi\over\displaystyle2}$, оказывается поляризованным лишь частично.

Если же размеры неоднородностей значительно больше световой длины волны, то спектральный состав рассеянного света практически совпадает со спектральным составом первичного пучка. Этим объясняется, например, белый цвет облаков.

Молекулярное рассеяние. Даже тщательно очищенные от посторонних примесей и загрязнений жидкости и газы в некоторой степени рассеивают свет. М.Смолуховский (1908) выяснил, что причиной оптических неоднородностей в этом случае являются флуктуации плотности. Имеются в виду отклонения в пределах малых объемов плотности от ее среднего значения, возникающие в процессе хаотического теплового движения молекул среды. Рассеяние света, обусловленное этими флуктуациями плотности, называют молекулярным рассеянием.

Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба. Непрерывно возникающие в атмосфере флуктуации плотности в малых объемах приводят согласно закону Рэлея к тому, что синие и голубые составляющие солнечного света рассеиваются сильнее, чем желтые и красные. При восходе и заходе Солнца прямой солнечный свет проходит через большую толщу атмосферы, и при этом большая доля коротковолновой части спектра теряется на рассеяние. Из прямого света до поверхности Земли доходит преимущественно красная составляющая спектpa. Вот почему при восходе и заходе Солнце кажется красным. Аналогично объясняется и красный цвет зари.

Эффект, связанный с молекулярным рассеянием света, зависит от температуры: с ее ростом он увеличивается, и это подтверждает эксперимент.

Ослабление узкого светового пучка. В результате рассеяния интенсивность узкого светового пучка убывает в направлении распространения быстрее, чем в случае одного лишь поглощения. Поэтому для мутной среды в выражении (32) вместо коэффициента поглощения $\kappa_{}$ должен стоять коэффициент ослабления

$$\mu=\kappa+\kappa' ,$$ (36)

где $\kappa'$ — коэффициент экстинкции, связанный с рассеивающими свойствами среды. Тогда интенсивность пучка будет изменяться с проходимым расстоянием $X_{}$ как

$$I=I_0 e^{-\mu x} .$$ (37)

Еще раз отметим, что эта зависимость относится к узкому световому пучку.

Далее: Эффект Вавилова-Черенкова Вверх: Лекция 17. Назад: Поглощение света