РАССЕ́ЯНИЕ СВЕ́ТА
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
РАССЕ́ЯНИЕ СВЕ́ТА, изменение направления распространения, поляризации и частоты оптич. излучения при его взаимодействии со средой. Различают упругое Р. с., при котором частота рассеянного излучения равна частоте падающего, и неупругое Р. с., при котором частота оптич. излучения меняется при взаимодействии со средой.
Упругое Р. с. возникает при распространении света в сплошной среде со случайными возмущениями показателя преломления, вызванными флуктуациями темп-ры, плотности, концентрации (напр., в растворах, в турбулентных потоках воздуха); при распространении света в дисперсной среде, содержащей множество случайно расположенных мелких частиц (пыльный воздух, туман, взвеси); в биологич. ткани, в крови. В статистически изотропной сплошной среде и дисперсной среде со сферически изотропными частицами Р. с. симметрично относительно оси, совпадающей с направлением распространения падающего света, и интенсивность рассеянного излучения $I_s(θ)$ не зависит от азимутального угла $φ$.
Р. с. на частицах и возмущениях среды, размер которых много меньше длины волны света $λ$, называется рэлеевским рассеянием. При рэлеевском рассеянии естественного (неполяризованного) света интенсивность излучения, рассеянного под углом $θ$, определяется на расстоянии $r$ соотношением$$I_s(θ)∝I_0\frac{V}{r^2λ^4}\frac{1\cos^2θ}{2},$$где $I_0$ – интенсивность падающего света, $V$ – объём рассеивающей частицы. Увеличением интенсивности рассеянного света с уменьшением длины волны объясняется голубой цвет неба. Дневной свет – это рассеянное солнечное излучение, в котором преобладают коротковолновые компоненты, соответствующие голубому цвету. На закате и восходе Солнце имеет красный цвет, т. к. в это время суток его лучи проходят более толстый слой атмосферы, что вызывает ослабление коротковолновых (синих) компонент при распространении.
Угловую зависимость $I_s(θ)$ в полярных координатах характеризует индикатриса рассеяния (рис.), на которой длина радиус-вектора пропорциональна интенсивности. При рэлеевском рассеянии угловое распределение симметрично относительно плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения (плоскости рисунка). В направлении распространения $(θ=0°)$ и обратном $(θ=180°)$ интенсивность рассеянного света максимальна. Для линейно поляризованного света отсутствует рассеяние в направлении, совпадающем с поляризацией. С увеличением размера частиц или возмущений показателя преломления в сплошной среде возрастает рассеяние вперёд и угловая ширина индикатрисы в прямом направлении становится более узкой.
Осн. характеристикой Р. с. является сечение рассеяния частицы $σ_s$ – отношение интенсивности всего рассеянного ею света к интенсивности падающего света. Сечение $σ_s$ малых частиц, радиус которых $a⩽0,05λ$, определяется уравнением Рэлея:$$\frac{σ_s}{πa^2}=\frac{8}{3} \left( \frac{2πa}{λ} \right)^4 \left| \frac{m^2-1}{m^2+2} \right|^2$$где $m$ – отношение показателей преломления частицы и среды. С увеличением размера частицы сечение рассеяния $σ_s→2πa^2$. Коэф. рассеяния дисперсной или сплошной среды $a_s$ равен отношению мощности, рассеянной её единичным объёмом, к интенсивности падающего света I0. При распространении в рассеивающей среде интенсивность света $I(z)$ уменьшается с расстоянием $z$ в соответствии с Бугера – Ламберта – Бера законом. Уменьшение интенсивности света при рассеянии характеризуют длина экстинкции $l_e=1/a_s$ и оптич. толщина $τ=a_sL$ участка среды протяжённостью $L$. В атмосфере ослабление интенсивности света с расстоянием определяется как рассеянием, так и поглощением излучения в воздухе и частицами аэрозоля. Напр., в слабой дымке при дальности видимости 1 км коэф. ослабления равен 0,004 м–1. При распространении света в биологич. ткани преобладает рассеяние с коэф. 100–400 см–1 на длине волны 633 нм, относящейся к терапевтич. окну прозрачности. В роговице и хрусталике глаза практически отсутствует рассеяние и поглощение света на длине волны в видимой области спектра.
К неупругому рассеянию света относятся Мандельштама – Бриллюэна рассеяние, комбинационное рассеяние света, вынужденное рассеяние света и параметрическое рассеяние.
