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'.

Здесь w и w' частоты падающего и рассеянного излучений, k и k' волновые векторы. Если энергия испущенного фотона равна энергии поглощённого (т. е. при w=w'), Р. с. наз. р э л е е в с к и м, или у п р у г и м. При w?w' Р. с. сопровождается перераспределением энергии между излучением и в-вом и его наз. неупругим. Во мн. случаях оказывается достаточным описание Р. с. в рамках волн. теории излучения. С точки зрения этой теории падающая световая волна возбуждает в ч-цах среды вынужденные колебания электрич. зарядов («токи»), к-рые становятся источниками вторичных световых волн. Количеств. хар-кой Р. с. при классич. и при квант. описании явл. д и ф ф е р е н ц и а л ь н о е с е ч е н и е р а с с е я н и я ds, определяемое как отношение потока излучения dJ, рассеянного в малый элемент телесного угла dW, к величине J0 падающего потока: da=dJ/J0. П о л н о е с е ч е н и е р а с с е я н и я s есть сумма da по всем направлениям, т. е. по всем dW (сечение имеет размерность см2). При упругом рассеянии можно считать, что s размер площадки, «не пропускающей свет» в направлении его первоначального распространения. Неполной, но наглядной хар-кой Р. с. служит индикатриса рассеяния кривая, графически отображающая зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния.

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.

н. т о м с о н о в с к о е Р. с.): s=(8p/3)r20=6,65•10-25см2(где r0=e2/mc2 т. н. классич. радиус эл-на, много меньший длины волны света; e и m заряд и масса эл-на). Индикатриса рассеяния неполяризованного света в этом случае такова, что интенсивность света, рассеянного вперёд или назад (под углами 0В° и 180В°), вдвое больше, чем под углом 90В°.

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.

Ми (1908, т е о р и я М и). Когда радиус ч-цы r много меньше длины волны света ln в в-ве, Р. с. на ней аналогично нерезонансному Р. с. атомом. Сечение (и интенсивность) Р. с. в этом случае сильно зависит от r и от разности диэлектрических проницавмостей e и e0 рассеивающего в-ва и окружающей среды: s=ln-4r6(e-e0)2 (англ.

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.

явления, происходящие в аэрозолях, туманах и пр. Р. с. средами, состоящими из большого числа ч-ц, существенно отличается от Р. с. отд. ч-цами. Это связано, во-первых, с интерференцией волн, рассеянных отд. ч-цами, между собой и падающей волной; во-вторых, во мн. случаях важны эффекты многократного рассеяния (переизлучения), когда свет, рассеянный одной ч-цей, вновь рассеивается другими; в-третьих, вз-ствие ч-ц друг с другом не позволяет считать их движения независимыми. 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. Оптич. неоднородностями (кроме границ среды) явл. включения инородных ч-ц, а при их отсутствии флуктуации плотности, анизотропии и концентрации, к-рые возникают в силу статистич. природы теплового движения ч-ц. Если фаза рассеянной волны однозначно определяется фазой падающей волны, Р. 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. черты, свойственные Р. с. отд. молекулами (атомами). Так, в атмосфере Земли сечение рассеяния солнечного света на флуктуациях плотности характеризуется той же зависимостью s=l-4, что и нерезонансное Р. с.

отд. ч-цами. Этим объясняется цвет неба: высокочастотную (голубую) составляющую спектра лучей Солнца атмосфера рассеивает гораздо сильнее, чем низкочастотную (красную). (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). Теорию упругого Р. с. жидкостями развил в 1910, исходя из идей М. Смолуховского, А. Эйнштейн. Эта теория основывалась на предположении, что размеры оптич. неоднородностей в среде малы по сравнению с длиной волны света. Вблизи к р и т и ч е с к и х т о ч е к (см. КРИТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ) фазовых переходов интенсивность флуктуации значительно возрастает и размеры областей неоднородностей становятся сравнимы с длиной волны света, что приводит к резкому усилению Р.

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.

излучения узкого спектрального состава (лазеров) стало возможным изучение рассеяния чрезвычайно сильных световых потоков, к-рому свойственны характерные отличия. Так, напр., при резонансном рассеянии сильного монохроматического света на отд. атоме вместо рэлеевских линий появляются дублеты две близко расположенные линии (в данном случае свет рассеивает атом, состояние к-рого уже изменено действием сильного эл.-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., при измерении атм. видимости и при исследовании полимерных растворов. Процессы вынужденного Р. с. лежат в основе лазерной спектроскопии и широко используются в лазерах с перестраиваемой частотой. .