Рассеяние света

Термин «рассеяние» подразумевает различные физические явления: отражение, дифракцию, преломление и другие, которые влияют на геометрию траектории луча света, а также изменяют его длину волны.

Виды рассеяния

Рассеяние, изменяющее длину волны излучения, называется неэластичным (неупругим) в отличие от эластичного (упругого), при котором не происходит изменения длины волны.

Наиболее важным примером неэластичного рассеяния служит рамановское рассеяние, происходящее в результате воздействия квантов света на колебательные уровни энергии рассеивающей молекулы, что приводит к смещению частоты порядка 1011—1013 Гц (видимому излучению соответствует частота 1014 Гц).

Звуковые волны также могут подвергаться рассеянию.

Первым это продемонстрировал французский физик Бриллюэн в 1915 г. Эффект был вызван взаимодействием обычных тепловых колебаний молекул и высокочастотного (108—1010 Гц) света, в отличие от света, где возбуждающее излучение низкочастотно модулировано. Результатом этого является допплеровское смещение — небольшое смещение частоты на 10—106 Гц, наблюдаемое при взаимодействии света с поступательным или вращательным движениями молекул или частиц. Это называется квазиэластичным рассеянием. Посредством измерения средней интенсивности эластичного рассеяния получают временную характеристику изменений квазиэластичного рассеяния, называемого в данном случае динамическим светорассеянием.

Особенности рассеяния света

Рассеяние света зависит, прежде всего, от отношения длины волны падающего света $λ$ к размеру частицы d, тип и форма рассеивающей частицы имеют вторичное значение. Например, телескопы, сконструированные для астрономических наблюдений ночного неба, иногда используются для наблюдения солнечных затмений в ИК области. Для предохранения от солнечного света их закрывают светонепроницаемой полимерной пленкой, которая интенсивно рассеивает излучение видимого диапазона. Однако это не мешает проходить лучам ИК диапазона и получать прекрасное изображение.

Особое место занимают крайние случаи, когда в процессах рассеяния концентрация и/или толщина образца настолько малы, что будет происходить лишь однократное рассеяние.

При этом средняя длина рассеяния, т.е. среднее расстояние между двумя процессами рассеяния, должна быть значительно больше толщины слоя исследуемого образца. В этом случае произведение коэффициента рассеяния S и толщины слоя х меньше 1, что имеет место при отсутствии многократного рассеяния, для которого на сегодня не существует стандартизированной теории.
В зависимости от размера частицы d относительно длины волны $λ$, например, 633 нм He-Ne лазера, можно теоретически и практически выделить определенные типы рассеяния:

• релеевское рассеяние — между d=1 нм и 0,1$λ$ (порядка 60 нм);
• рассеяние Релея-Ганса-Дебая — между 60 и 200 нм;
• рассеяние Ми — между 200 нм и 5 мм;
• рассеяние Фраунгофера — от 5 мм до 1 см.

Многие образцы, особенно в биологических и медицинских исследованиях, непрозрачны, и поэтому являются причиной многократного рассеяния.

Таким образом, неинвазивным путем можно изучить влияние гербицидов на развитие листа, компонентов питательной среды на рост микроорганизмов или изменение содержания кислорода в крови человека при дыхании.

В результате многократного рассеяния спектры поглощения и (диффузного) отражения становятся практически неразличимыми, что очень важно при измерении оптически непрозрачных, интенсивно рассеивающих образцов. Соответствующее количественное описание этих явлений дает теория Кубелки-Муна.

Нужна работа по низкой цене? У нас вы можете заказать статью по физике недорого!

Тест по теме «Рассеяние света»