РАССЕЯНИЕ СВЕТА
изменение характеристик
потока оптического излучения (света) при его взаимодействии с веществом.
Этими характеристиками могут быть пространственное распределение интенсивности,
частотный спектр, поляризация света. Часто Р. с. наз. только обусловленное
пространств. неоднородностью среды изменение направления распространения
света, воспринимаемое как несобственное свечение среды.
Последоват. описание Р. с. возможно в рамках
квантовой теории взаимодействия излучения с веществом, основанной на квантовой
электродинамике и квантовых представлениях о строении вещества. В этой
теории единичный акт Р. с. рассматривается как поглощение частицей вещества
падающего фотона с энергией hw, импульсом (количеством движения)
hk и поляризацией ц, а затем испускание фотона с энергией hw', импульсом
hk' и поляризацией м'. Здесь h - Планка постоянная, w и w' - частоты
фотонов, каждая из величин k и k' - волновой вектор. Если
энергия испущенного фотона равна энергии поглощённого (w = w'), Р. с. наз.
рэлеевским, или упругим. При w не равно w' Р. с. сопровождается перераспределением
энергии между излучением и веществом и его называют неупругим.
Во мн. случаях оказывается достаточным
описание Р. с. в рамках волновой теории излучения (см. Излучение, Оптика).
С точки зрения этой теории (наз. классической), падающая световая волна
возбуждает в частицах среды вынужденные колебания электрич. зарядов
("токи"), к-рые становятся источниками вторичных световых волн. При этом
определяющую роль играет интерференция света между падающей и вторичными
волнами (см. ниже).
Количеств. характеристикой Р. с. и при
Вследствие обилия и разнообразия факторов,
Р. с. отдельным электроном с большой точностью
Осн. особенность Р. с. отд. атомом - сильная
При Р. с. молекулами наряду с рэлсевскими
Р. с. мелкими частицами обусловливает широкий
Р. с. большими частицами (r >> Л Р. с. средами, состоящими из большого числа
Л. И. Мандельштам показал (1907),
Если фаза рассеянной волны однозначно
Впервые на Р. с. тепловыми флуктуациями
Молекулярное Р. с. чистыми, без примесей,
В растворах дополнит. причиной Р. с. являются
Движение областей неоднородностей среды
Всё сказанное выше относилось к Р. с. сравнительно
Явление Р. с. чрезвычайно широко используется
Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4
С. Г. Пржибельский.
классическом, и при квантовом описании является дифференциальное сечение
рассеяния do, определяемое как отношение потока излучения dI,
рассеянного в малый элемент телесного угла dO, к величине падающего
потока I
рассеяния а есть сумма da по всем dQ (сечение измеряют обычно в
см2). При упругом рассеянии можно считать, что a - размер
площадки, "не пропускающей свет" в направлении его первоначального распространения
(см. Эффективное поперечное сечение). При классич. описании Р. с.
часто пользуются матрицей рассеяния, связывающей амплитуды падающей и рассеянных
по всевозможным направлениям световых волн и позволяющей учесть изменение
состояния поляризации рассеянного света. Неполной, но наглядной характеристикой
Р. с. служит индикатриса рассеяния - кривая, графически отображающая
различие в интенсивностях света, рассеянного в разных направлениях.
определяющих Р. с., весьма трудно развить одновременно единый и детальный
способ его описания для различных случаев. Поэтому рассматривают идеализированные
ситуации с разной степенью адекватности самому явлению.
является упругим процессом. Его сечение не зависит от частоты (т. н. томсоновское
Р. с.) и равно о = (8 Пи /3)r2
см2(r
радиус электрона, много меньший длины волны света; е и т - заряд
и масса электрона; с - скорость света в вакууме). Индикатриса рассеяния
неполяризованного света в этом случае такова, что вперёд или назад (под
углами 0° и 180°) рассеивается вдвое больше света, чем под углом 90°. Р.
с. отд. электронами - процесс, обычный в астрофизич. плазме; в частности,
оно ответственно за мн. явления в солнечной короне и коронах др.
звёзд.
зависимость сечения рассеяния от частоты. Если частота со падающего
света мала по сравнению с частотой w
(Л - длина волны света). Эта зависимость, найденная на основе представления
об атоме как об электрическом диполе, колеблющемся в поле световой
волны, наз. Рэлея законом. Вблизи атомных линий (ww
Вследствие ряда особенностей резонансного Р. с. оно носит специальное
название резонансной флуоресценции. Индикатриса рассеяния неполяризованного
света атомами аналогична описанной для свободных электронов. Р. с. отдельными
атомами наблюдается в разреженных газах.
(несмещёнными) линиями в спектре рассеяния появляются, в отличие от случая
атомарного Р. с., линии неупругого Р. с. (смещённые по частоте). Относит.
смещения |w-w'|/w10-3-10-5, а интенсивность смещённых
линий составляет лишь 10-3 - 10-6 интенсивности рэлеевской.
О неупругом Р. с. молекулами см. Комбинационное рассеяние света.
класс явлений, которые можно описать на основе теории дифракции света
на диэлектрических частицах. Многие характерные особенности Р. с. частицами
удаётся проследить в рамках строгой теории, разработанной для сферических
частиц английским учёным А. Лявом (1889) и немецким учёным Г. Ми (1908,
теория Ми). Когда радиус шара r много меньше длины волны света Л
Сечение (и интенсивность) Р. с. в этом случае сильно зависит от r и
от разности диэлектрических проницаемостей е и ео вещества шара
и окружающей среды: оЛ
(Рэлей, 1871). С увеличением r до rЛ
более (при условии е > 1) в индикатрисе рассеяния появляются резкие максимумы
и минимумы - вблизи т. н. резона н сов Ми (2r = тЛ
2, 3,...) сечения сильно возрастают и становятся равными 6 Пи r2;
рассеяние вперёд усиливается, назад - ослабевает; зависимость поляризации
света от угла рассеяния значительно усложняется.
лучей, отражённых и преломлённых на поверхностях частиц. Важная особенность
этого случая - периодический (по углу) характер индикатрисы рассеяния и
периодич. зависимость сечения от параметра r/Л
с. на крупных частицах обусловливает ореолы, радуги, гало и др.
явления, происходящие в аэрозолях, туманах и пр.
частиц, существенно отличается от Р. с. отд. частицами. Это связано, во-первых,
с интерференцией волн, рассеянных отд. частицами, между собой и с падающей
волной. Во-вторых, во мн. случаях важны эффекты многократного рассеяния
(переизлучения), когда свет, рассеянный одной частицей, вновь рассеивается
другими. В-третьих, взаимодействие частиц друг с другом не позволяет считать
их движения независимыми.
что принципиально необходимым для Р. с. в сплошной среде является нарушение
её оптической однородности, при к-ром преломления показатель среды
не постоянен, а меняется от точки к точке. В безграничной и полностью однородной
среде волны, упруго рассеянные отд. частицами по всем направлениям, не
совпадающим с направлением первичной волны, взаимно "гасятся" в результате
интерференции. Оптич. неоднородностями (кроме границ среды) являются включения
инородных частиц, а при их отсутствии - флуктуации плотности, анизотропии
и концентрации, к-рые возникают в силу статистич. природы теплового
движения частиц.
определяется фазой падающей волны, Р. с. наз. когерентным, в противном
случае - некогерентным. По историч. традиции Р. с. отд. молекулой (атомом)
часто наз. когерентным, если оно рэлеевское, и некогерентным, если оно
неупруго. Такое деление условно: рэлеевское Р. с. может являться некогерентным
процессом так же, как и комбинационное. Строгое решение вопроса о когерентности
при Р. с. тесно связано с понятием квантовой когерентности и статистикой
излучения. Резкое различие в пространств. распределении когерентно и некогерентно
рассеянного света обусловлено тем, что при некогерентном Р. с. вследствие
нерегулярного, случайного распределения неоднородностей в среде фазы вторичных
волн случайны по отношению друг к другу; поэтому при интерференции не происходит
полного взаимного гашения волн, распространяющихся в произвольном направлении.
(его наз. молекулярным Р. с.) указал М. Смолуховский в 1908. Он
развил теорию молекулярного Р. с. разреженными газами, в к-рых положение
каждой отд. частицы можно с хорошей степенью точности считать не зависящим
от положений др. частиц, что и является причиной случайности фаз волн,
рассеянных каждой частицей. Взаимодействием частиц между собой в ряде случаев
можно пренебречь. Это позволяет считать, что интенсивность света, некогерентно
рассеянного коллективом частиц, есть простая сумма интенсивностей света,
рассеянного отд. частицами. Суммарная интенсивность пропорциональна плотности
газа. В оптических тонких средах (см. Оптическая толщина) Р. с.
сохраняет мн. черты, свойственные Р. с. отд. молекулами (атомами). [В оптически
плотных средах чрезвычайно существенным становится многократное рассеяние
(переизлучение).] Так, в атмосфере Земли сечение рассеяния солнечного света
на флуктуациях плотности характеризуется той же зависимостью оЛ-4,
что и нерезонансное Р. с. отд. частицами. Этим объясняется голубой цвет
неба: высокочастотную (голубую) составляющую спектра лучей Солнца атмосфера
рассеивает гораздо сильнее, чем низкочастотную (красную). Весьма сложна
картина Р. с. при резонансной флуоресценции, когда в объёме Л3
находится большое число частиц. В этих условиях коллективные эффекты становятся
определяющими; Р. с. может происходить по необычному для газа типу, напр.
приобретая характер металлич. отражения от поверхности газа. Полная теория
резонансной флуоресценции не разработана.
твёрдыми и жидкими средами отличается от нерезонансного Р. с. газами вследствие
коллективного характера флуктуации показателя преломления (обусловленных
флуктуациями плотности и темп-ры среды при наличии достаточно сильного
взаимодействия частиц друг с другом). Теорию упругого Р. с. жидкостями
развил в 1910, исходя из идей Смолуховского, А. Эйнштейн. Эта теория
основывалась на предположении, что размеры оптических неоднородностей в
среде малы по сравнению с длиной волны света. Вблизи критических точек
(см. Критическое состояние) фазовых переходов интенсивность флуктуации
значительно возрастает и размеры областей неоднородностей становятся сравнимы
с длиной волны света, что приводит к резкому усилению Р. с. средой - опалесценции
критической, осложнённой явлением переизлучения.
флуктуации концентрации; на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей
- флуктуации этой поверхности (Л. И. Мандельштам, 1913). Вблизи критич.
точек (точки осаждения в 1-м случае, точки расслоения - во 2-м) возникают
явления, родственные критич. опалесценции.
приводит к появлению в спектрах Р. с. смещённых по частоте линий. Типичным
примером может служить Р. с. на упругих волнах плотности (гиперзвуке),
подробно описанное в ст. Мандельштама - Бриллюэна рассеяние.
малой интенсивности. В 60 - 70-е гг. 20 в. после создания сверхмощных источников
оптич. излучения узкого спектрального состава (лазеров) стало возможным
изучение рассеяния чрезвычайно сильных световых потоков, к-рому оказались
свойственны характерные отличия. Так, напр., при резонансном рассеянии
сильного монохроматического света на отдельном атоме вместо рэлеевских
линий появляются дублеты (в данном случае свет рассеивается атомом,
состояние к-рого уже изменено действием сильного электромагнитного поля).
Др. особенность рассеяния сильного света заключается в интенсивном характере
т. н. вынужденных процессов в веществе, резко меняющих характеристики Р.
с. Подробно об этом см. в ст. Вынужденное рассеяние света и Нелинейная
оптика.
при самых разнообразных исследованиях в физике, химии, в различных областях
техники. Спектры Р. с. позволяют определять молекулярные и атомные характеристики
веществ, их упругие, релаксационные и др. постоянные. В ряде случаев эти
спектры являются единственным источником информации о запрещённых переходах
(см. Запрещённые линии) в молекулах. На Р. с. основаны мн. методы
определения размеров, а иногда и формы мелких частиц, что особенно важно,
напр., при измерении видимости атмосферной и при исследовании полимерных
растворов (см. Нефелометрия, Турбидиметрия). Процессы вынужденного
Р. с. лежат в основе т. н. активной спектроскопии и широко используются
в лазерах с перестраиваемой частотой.
изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Волькештейн М. В., Молекулярная
оптика, М.- Л., 1951; Хюлет Г., Рассеяние света малыми частицами, пер.
с англ., М., 1961; Фабелинский И. Л., Молекулярное рассеяние света, М.,
1965; Пантел Р., Путхов Г., Основы квантовой электроники, пер. с англ.,
М., 1972.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я