Рассеяние света - явление, при котором свет, распространяющийся в среде, отклоняется по всевозможным направлениям.
С классической точки зрения процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходя через вещество, возбуждает колебания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны становятся источниками вторичных волн. Вторичные волны являются когерентными и поэтому должны интерферировать.
В случае однородной среды вторичные волны гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны. Поэтому рассеяние света, то есть перераспределение его по разным направлениям, отсутствует.
|
|
Рассеяние света возникает только в неоднородной среде. Такие среды называются мутными. Примерами мутных сред могут быть дымы (взвеси мельчайших частиц в газах); туманы (взвеси капелек жидкости в газах); суспензии, образованные мелкими твердыми частичками, плавающими в жидкости; эмульсии, то есть взвеси частиц одной жидкости в другой (например, молоко – взвесь капелек жира в воде).
Если бы неоднородности располагались в определенном порядке, то при распространении волны получилась бы дифракционная картина с характерным для нее чередованием максимумов и минимумов интенсивности. Однако чаще всего их координаты не только случайны, но еще изменяются со временем. Поэтому вторичное излучение, возникшее на неоднородностях, дает довольно равномерное распределение интенсивности по всем направлениям. Это явление и называют рассеянием света. В результате рассеяния энергия первичного пучка света постепенно уменьшается, как и при переходе энергии возбужденных атомов в другие формы энергии. Так свет уличного фонаря в тумане распространяется не прямолинейно, а рассеивается во всех направлениях, и интенсивность его быстро убывает при удалении от фонаря, как вследствие поглощения, так и из-за рассеяния.
Оптическими неоднородностями могут быть не только какие-то инородные вкрапления, но и флуктуации плотности среды (отклонения плотности от ее среднего значения), то есть случайные колебания плотности в малых объёмах около её среднего значения. Рассеяние на флуктуациях плотности среды стали называть молекулярным рассеянием.
Молекулярным, например, является рассеяние света в атмосфере (при отсутствии тумана или дыма). Если неоднородности распределены в среде достаточно равномерно, то уменьшение интенсивности проходящего света для рассеяния обоих типов описывается функцией
Зависимость рассеяния от длины волны
Впервые рассеяние света в мутных средах изучал в Джон Тиндаль. По данным его и других исследователей опытов, которые были выполнены с мутными средами, содержащими рассеивающие частицы размером не более 0,2λ в малой концентрации, можно сформулировать следующие опытные законы:
- Чем короче длина волны λ, тем интенсивнее рассеивается свет. Если рассеяние наблюдается в белом свете, то рассеянный свет имеет сине-голубой оттенок.
- Свет, рассеянный под прямым углом к первичному пучку естественного света, полностью или почти полностью линейно поляризован.
- Кривая интенсивности рассеянного света симметрична относительно направлений первичного пучка и перпендикулярному ему.
При прочих равных условиях интенсивность рассеянного света зависит от длины световой волны. При молекулярном рассеянии, а также при рассеянии в мутной среде с неоднородностями, размеры которых малы по сравнению с длиной волны (меньше 0,2λ), выполняется закон Релея:
Интенсивность рассеянного света (Iр) обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (λ):
Ip ~ 1/ λ4
Закон Релея объясняет некоторые явления, наблюдаемые в природе. Например, голубой цвет неба связан с тем, что в солнечном (белом) свете, рассеянном атмосферой, преобладают коротковолновые синие лучи.
В течение дня высота Солнца над горизонтом меняется. При этом меняется и толщина атмосферного слоя, который проходят солнечные лучи.
На закате солнечные лучи проходят более толстый слой воздуха и короткие волны рассеиваются почти полностью. Поэтому в прошедшем свете остаются длинноволновые красные лучи, что мы и наблюдаем при прямом взгляде на Солнце.
Из-за меньшего рассеяния красного света его используют в сигнальных огнях.
Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав дают информацию о параметрах, характеризующих растворы (в том числе и коллоидные), эмульсии, аэрозоли.
