Рассеяние света

Рассеяние света – дифракция на мелких неоднородностях среды приводящая к довольно равномерному распределению интенсивности по всем направлениям. Среды с ярко выраженной неоднородностью носят название мутных сред.

Процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходящий через вещество, возбуждает колебания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны, становятся источниками вторичных волн, распространяющихся во всех направлениях. В случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны. В направлении первичного луча вторичные волны, интерферируя с первичной проходящей волной, образуют результирующую волну с фазовой скоростью отличной от с.

В результате рассеяния света в боковых направлениях интенсивность в направлении распространения убывает быстрее, чем в случае однородного поглощения. Поэтому для мутного вещества в выражение I = I₀e^{-c l} наряду с коэффициентом линейного поглощения c должен стоять добавочный коэффициент c’, обусловленный рассеянием.

, (170)

где c’ – коэффициент экстинкции.

Характер рассеяния зависит от размеров и природы неоднородностей. Если их размеры больше длины волны, то наблюдается чисто геометрическое рассеяние. Это касается, прежде всего, твердых частиц, взвешенных в воздухе. Падающий на разные участки поверхности частицы солнечный свет отражается под различными углами. Если при этом спектраль­ный состав света не меняется, то рассеянный свет остается белым (примером этого может служить белый цвет неба в пустынях, когда восходящие воздушные потоки переносят в верхние слои атмосферы мелкие частицы песка). В целом наблюдаемая картина рассеяния очень чувствительна к размерам и форме неоднородностей (радуга и гало вокруг солнца, вызванные наличием в земной атмосфере соответственно капелек и льдинок).

Если размеры неоднородностей существенно меньше длин волн света, то интенсивность рассеянного света удовлетворяет закону Рэлея:

(171)

где w - частота падающего света, причем интенсивность рассеянного света различна по разным направлениям (т.е анизотропна). Эта формула справедлива, если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной волны (d < 0,1 l). Сильная зависимость интенсивности рассеянного света от частоты означает, что существенно сильнее рассеиваются волны с большей частотой. В частности, если через среду идет волна от источника белого света (от Солнца - см. рисунок 50),то при наблюдении сбоку среда кажется голубоватой, а сам источник на просвет выглядит более красным. Этим объясняется голубой цвет неба и красный цвет зари. Разные цветовые оттенки получаются из-за разных геометрических расположений источника и наблюдателя. Так в глаз наблюдателя 1 (см. рис.50) приходит прямой луч, тогда как наблюдатель 2 видит, в основном, рассеянные лучи. Если размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны l, то

 (172)

Даже тщательно очищенные жидкости и газы рассеивают свет. Причиной рассеяния является появление оптических неоднородностей за счет флуктуаций плотности. Эти флуктуации вызваны беспорядочным движением молекул вещества, поэтому обусловленное ими рассеяние света называется молекулярным. Его детально исследовали Л. Мандельштам и М. Смолуховский.