Физическая энциклопедия - рассеяние света

изменение к.-л. хар-ки потока оптического излучения (с в е т а) при его вз-ствии с в-вом. Этими хар-ками могут быть пространств. распределение интенсивности, частотный спектр, поляризация света. Часто Р. с. наз. только явление несобств. свечения среды, обусловленное рассеянием на пространств. неоднородностях среды. Последоват. описание Р.

с. возможно в рамках квант. теории вз-ствия излучения с в-вом, основанной на квантовой электродинамике и квант. представлениях о строении в-ва. В этой теории единичный акт Р. с. рассматривается как поглощение ч-цей в-ва падающего фотона с энергией С›w, импульсом (кол-вом движения) С›k и поляризацией m, а затем испускание фотона с энергией С›w', импульсом С›k' и поляризацией m'.

Вследствие разнообразия факторов, определяющих Р. с., трудно развить единый детальный способ его описания для разл. случаев. Поэтому рассматривают идеализированные ситуации с разной степенью адекватности самому явлению. Р. с. о т д е л ь н ы м э л е к т р о н о м с большой точностью явл. упругим процессом, для к-рого s не зависит от w (т.

Осн. особенность Р. с. о т д. а т о м о м сильная зависимость сечения рассеяния от частоты. Если частота w падающего света мала по сравнению с частотой w0 собств. колебаний ат. эл-нов (соответствующей частоте собств. поглощения атома), то s=w4 или s=l-4 (l длина волны света). Эта зависимость, найденная на основе представления об атоме как об электрич.

диполе, колеблющемся в поле световой волны, наз. Рэлея законом. При w»w0 сечения резко возрастают, достигая при резонансе w=w0) очень больших значений s=l2=10-10 см2. Резонансное Р. с. по существу явл. р е з о н а н с н о й ф л у о р е с ц е н ц и е й (см. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ). Индикатриса рассеяния неполяризованного света атомами аналогична описанной для свободных эл-нов.

Р. с. отд. атомами наблюдается в разреженных газах. При Р. с. м о л е к у л а м и наряду с рэлеевскими (несмещёнными) линиями в спектре рассеяния появляются линии неупругого Р. с. (с м е щ ё н н ы е по ч а с т о т е). Относит. смещения |w-w0'|/w=10-3-10-5, а интенсивность смещённых линий составляет лишь 10-3-10-6 интенсивности рэлеевской. Неупругое Р. с.

молекулами наз. комбинационным рассеянием света. Р. с. мелкими частицами обусловливает класс явлений, к-рые можно описать на основе теории дифракции света на диэлектрич. ч-цах. Мн. характерные особенности Р. с. ч-цами удаётся проследить в рамках строгой теории, разработанной для сферич. ч-ц англ. учёным А. Лявом (1889) и нем. учёным Г.

физик Дж. У. Рэлей, 1871). С увеличением r до r=ln и более (при условии e>1) в индикатрисе рассеяния появляются резкие максимумы и минимумы • вблизи т. н. р е з о н а н с о в М и (2r=mln, m=1, 2, 3, . . .) сечения сильно возрастают и становятся равными 6pr2; рассеяние вперёд усиливается, назад ослабевает; зависимость поляризации света от угла рассеяния значительно усложняется.

Р. с. б о л ь ш и м и ч а с т и ц а м и (r->ln) рассматривают на основе законов геометрической оптики с учётом интерференции лучей, отражённых и преломлённых на поверхностях ч-ц. Важная особенность этого случая периодический (по углу) характер индикатрисы рассеяния и периодич. зависимость сечения от параметра r/ln. Р. с. на крупных ч-цах обусловливает ореолы, радуги, гало и др.

Л. И. Мандельштам показал (1907), что принципиально необходимым для Р. с. в сплошной среде явл. нарушение её оптич. однородности, при к-ром преломления показатель среды не постоянен, а меняется от точки к точке. В безграничной и полностью однородной среде волны, упруго рассеянные отд. ч-цами по всем направлениям, не совпадающим с направлением первичной волны, взаимно «гасятся» в результате интерференции.

с. наз. к о г е р е н т н ы м, в противном случае н е к о г е р е н т н ы м. По ист. традиции Р. с. отд. молекулой (атомом) часто наз. когерентным, если оно рэлеевское, и некогерентным, если оно неупруго. Такое деление условно: рэлеевское Р. с. может являться некогерентным процессом так же, как и комбинационное. Строгое решение вопроса о когерентности при Р.

с. тесно связано с понятием квантовой когерентности и статистикой излучения (см. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОПТИКА). Резкое различие в пространств. распределении когерентного и некогерентного рассеянного света обусловлено тем, что при некогерентном Р. с. вследствие нерегулярного, случайного распределения неоднородностей в среде фазы вторичных волн случайны по отношению друг к другу; поэтому при интерференции не происходит полного взаимного гашения волн, распространяющихся в произвольном направлении.

Впервые на Р. с. тепловыми флуктуациями (его наз. м о л е к у л я р н ы м Р. с.) указал польск. физик М. Смолуховский в 1908. Он развил теорию мол. Р. с. разреженными газами, в к-рых положение каждой отд. ч-цы можно с хорошей степенью точности считать не зависящим от положений др. ч-ц, что явл. причиной случайности фаз волн, рассеянных каждой ч-цей.

Вз-ствием ч-ц между собой в ряде случаев можно пренебречь. Это позволяет считать, что интенсивность света, некогерентно рассеянного коллективом ч-ц, есть простая сумма интенсивностей света, рассеянного отд. ч-цами. Суммарная интенсивность пропорциональна плотности газа. В оптич. тонких средах (см. ОПТИЧЕСКАЯ ТОЛЩИНА) Р. с. сохраняет мн.

(В оптически плотных средах чрезвычайно существенным становится многократное рассеяние (переизлучение).) Весьма сложная картина возникает при резонансной флуоресценции в том случае, когда в объёме, равном l3, находится большое число ч-ц. В этих условиях коллективные эффекты становятся определяющими; Р. с. может происходить по необычному для газа типу, напр.

приобретает характер металлич. отражения от поверхности газа. Мол. Р. с. чистыми, без примесей, тв. и жидкими средами отличается от нерезонансного Р. с. газами вследствие коллективного характера флуктуации показателя преломления (обусловленных флуктуациями плотности и темп-ры среды при наличии достаточно сильного вз-ствия ч-ц друг с другом).

с. средой -опалесценции критической, осложнённой явлением переизлучения. В растворах дополнит. причиной Р. с. явл. флуктуации концентрации; на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей флуктуации этой поверхности (Мандельштам, 1913). Вблизи критич. точек (точки осаждения в первом случае, точки расслоения во втором) возникают явления, родственные критич.

опалесценции. Движение областей неоднородностей среды приводит к появлению в спектрах Р. с. смещённых по частоте линий. Типичным примером может служить Р. с. на упругих волнах плотности (гиперзвуке) т. н. Мандельштама Бриллюэна рассеяние. Всё сказанное выше относилось к Р. с. сравнительно малой интенсивности. В 60-70-е гг. 20 в. после создания сверхмощных источников оптич.

-магн. поля). Др. особенность рассеяния сильного света заключается в интенсивном характере т. н. вынужденных процессов в в-ве, резко меняющих хар-ки Р. с. (подробнее см. в статьях (см. ВЫНУЖДЕННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА, НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА)). Явление Р. с. широко используется при самых разнообразных исследованиях в физике, химии, в разл.

областях техники. Спектры Р. с. позволяют определять мол. и ат. хар-ки в-в, их упругие, релаксационные и др. постоянные. В ряде случаев эти спектры явл. единственным источником информации о запрещённых переходах (см. ЗАПРЕЩЁННЫЕ ЛИНИИ) в молекулах. На Р. с. основаны мн. методы определения размеров и формы мелких ч-ц, что особенно важно, напр.