Физический принцип рассеяния на частице

Рассеяние волн сферической частицей

8.

Рассеяние частицей является обобщением рассеяния на одной молекуле. Потому что частица состоит из множества молекул. Поскольку теперь в рассеяние включается множество плотно упакованных осцилляторов, то должна иметь место интерференция рассеянных волн, являющаяся функцией угла рассеяния.

Основными или важными параметрами рассеяния частицами являются длина волны, состояние поляризации падающего излучения, размер частиц, показатель преломления частиц, показатель преломления среды, в которой находится частица, угол рассеяния, форма частиц.

Особо выделим два параметра: относительный размер частиц и комплексный показатель преломления.

Относительный размер частицы, или параметр Ми, или параметр дифракции это отношение

,

где − волновое число, а − радиус частицы. Диапазон значений параметра в атмосфере очень широк: от 1 до 1.

В общем случае показатель преломления вещества – комплексная величина

æ.

Действительная часть определяет фазовый сдвиг оптических волн, прошедших через вещество, а мнимая часть æ – уменьшение амплитуды прошедшей волны из-за поглощения.

По мере роста отношения размера частиц к длине волны происходит постепенный переход от релеевского рассеяния к рассеянию Ми.

Рассеяние Ми характеризуется:

− сложной зависимостью интенсивности рассеянного света от угла наблюдения;

− увеличением интенсивности рассеянного вперед излучения;

− слабой зависимостью коэффициента рассеяния от длины волны, когда размеры частиц велики по сравнению с длинной волны (подтверждением этому служит белый цвет обыкновенных облаков).

Таким образом, белые облака и голубое небо служат иллюстрацией двух типов рассеяния: аэрозольного (рассеяние Ми) и молекулярного.

Детальная теория рассеяния Ми очень сложна, но, как мы уже говорили, ее физические основы можно легко уяснить, если развивать картину релеевского рассеяния.

Общей основой для этих двух типов рассеяния является взаимодействие электромагнитных волн и электрических зарядов, составляющих вещество.

Но если молекула газа представляет собой единичный диполь, то частицу состоящую из множества плотно упакованных молекул, можно представить как набор мультиполей.

1.Нарисуем частицу в таком виде

2.Мультиполи возбуждаются первичной волной

Рисуем падающий свет

Мультиполи превращаются в осциллирующие мультиполи.

3. В результате генерируются вторичные электрические и магнитные волны.

Рисуем рассеянные элементарные волны

Эти волны называются парциальными.

4. Парциальные волны складываются в дальне зоне и образуют рассеянную волну.

Рисуем после линзы точку Р.

5. То есть полное рассеянное поле в точке Р – результат сложения всех элементарных волн от областей, на которые разбита частица.

Понятие парциальных волн используется для обозначения последовательных членов в медленно сходящихся рядах в теории Ми. Сумма квадратов этих членов определяет рассеянную интенсивность при заданном угле наблюдения.

Так как размер частиц сравним с длиной волны, то фаза первичной волны различна в разных точках частицы, что и приводит к возникновению пространственных и временных фазовых различий между отдельными парциальными волнами.

Там, где парциальные волны, складываясь, образуют вторичную или рассеянную, происходит интерференция между парциальными волнами.

Интерференция зависит от длины волны падающего излучения, размера частицы, ее показателя преломления, а также от угла наблюдения.

(Вспомним, для случая одной молекулы в модели Релея, когда интерференция отсутствует, рассеянная интенсивность плавно изменяется согласно закону ).

При учете интерференции рассеянных оптических волн частицей изменения интенсивности возрастают по мере роста размера частиц.

Для каждой рассеивающей частицы существует угловое сечение рассеяния, объемный угловой коэффициент, которые аналогичны в релеевском рассеянии, коэффициент поглощения, коэффициент ослабления.

Но для характеристики рассеяния на частице, кроме этого, вводятся новые, факторы эффективности , не имеющие аналога в релеевском рассеянии

В области малых относительных размеров частицы рассеяние объясняется теорией Релея, к которой сводится и теория Ми, когда параметрстановится достаточно малым, В области больших , примером которых могут служить капли дождя в оптическом диапазоне длин волн, рассеяние хорошо объясняется из принципов дифракции, отражения и преломления. В средней области размеров единственной адекватной теорией является сама теория Ми. Принято считать рассеяние света частицами рассеянием Ми, когда радиус частиц превышает значение 0,03.

Сделаем замечание: теория Ми строго применима только к изотропным сферам.

Для влажных частиц дымки, тумана, облачных капель и мелких дождевых капель считается, что они сферические и анизотропные. Поэтому в этих случаях допущение можно считать строгим.

Менее пригодно это допущение для пылевых структур и для ядер конденсации, которые при низкой температуре и высокой влажности превращаются в кристаллы. В природе много и других видов несферических частиц. Например, форма крупных падающих дождевых капель искажается из-за сопротивления воздуха. Ледяные облачные кристаллы имеют разнообразные формы – сфероидальные, призматические, столбчатые, а формы снежинок вообще «беспредельны».

Частицы, поверхность которых не является гладкой, называются «белыми». Отражение излучения от таких поверхностей является диффузным.

Поскольку показатель преломления атмосферной частицы больше показателя преломления окружающего воздуха, частица создает оптическую неоднородность для проходящей световой волны.

Обращаясь снова к показателям преломления, отметим, что необходимо учитывать их относительные, а не абсолютные значения.

Относительный показатель преломления – это отношение показателя преломления частицы к показателю преломления окружающей среды − . Однако, для воздуха =1,0003, поэтому абсолютные значения показателей преломления аэрозольных частиц, лежащих в пределах от 1,33 ÷ 1,6, могут быть приняты за относительные значения.

Это условие не выполняется для гидрозолей.