Рассеяние света

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассеяние света

Вторичные волны, обусловленные колебаниями электронов среды, уносят часть энергии, приносимой световой волной. Иначе говоря, распространение света в веществе должно сопровождаться рассеянием света. Казалось бы, наличие электронов, колеблющихся под действием электромагнитной волны, достаточно для возникновения рассеянных волн. Однако несложно показать, что однородность среды и когерентность вторичных волн - условия, необходимые и достаточные для того, чтобы рассеянный свет не мог возникнуть.

Так как в действительности идеально однородных сред не существует, то есть реальные среды оптически неоднородны, то они в той или иной мере рассеивают свет.

Неоднородность среды может быть обусловлена флуктуациями концентрации частиц, присутствием посторонних частиц, на которых свет испытывает дифракцию (рассеивается).

Однако среда может быть оптически однородной, будучи физически неоднородной (стеклянная палочка в кедровом масле), ели показатели преломления обоих веществ одинаковы. Однако такая сложная среда оказывается оптически однородной в узком спектральном интервале. При достаточной толщине кюветы взвесь стеклянных частиц в жидкости может служить хорошим светофильтром, пропуская свет в узком спектральном диапазоне и рассеивая волны, длина которых не входит в этот интервал. При незначительном нагревании такой кюветы можно наблюдать, как меняется окраска проходящего света, что обусловлено различной зависимостью от температуры показателя преломления стекла и жидкости.

Рассеяние света на частицах, малых по сравнению с длиной волны видимого света, в лабораторных условиях впервые наблюдал Тиндаль (1869 г.). Он обратил внимание на то, что рассеянный под различными углами свет отличается от падающего белого света наличием синего оттенка, а свет, рассеянный под углом 900 относительно направления падающего света, полностью или почти полностью линейно поляризован.

Тиндаль высказал предположение, что голубой цвет неба, возможно, объясняется рассеянием солнечного света на пылинках, взвешенных в атмосфере Земли.

Во многих ситуациях наблюдается интенсивное рассеяние света вследствие естественно возникшей оптической неоднородности. Среды с явно выраженной оптической неоднородностью называют мутными средами (дым, туман, взвеси или суспензии и т.п.). Во всех этих случаях наблюдается более или менее сильное рассеяние света мутной средой, называемое обычно явлением Тиндаля. Теоретическое описание этого явления было дано Рэлеем.

Распределение интенсивностей света, рассеянного под разными углами, симметрично относительно оси первичного пучка и относительно линии, ей перпендикулярной.

Кривая, графически представляющая распределение интенсивности рассеянного света по разным направлениям, называется индикатрисой рассеяния. Если падающий свет естественный, то индикатриса рассеяния света на частицах, малых по сравнению с длиной волны, описывается формулой Рэлея:

.

Здесь N - число частиц в рассеивающем объеме, V' и - объем и диэлектрическая проницаемость частицы, - диэлектрическая проницаемость среды, в которой взвешены частицы, - угол рассеяния, - интенсивность падающего света, - интенсивность рассеянного света, L - расстояние от рассеивающего объема до точки наблюдения.

Таким образом, интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Этот закон () называют законом Рэлея.

Из формулы Рэлея видно, что интенсивность рассеянного света пропорциональна квадрату объема (шестой степени радиуса) рассеивающих частиц.

Множитель может служить мерой оптической неоднородности среды. При рассеянный свет отсутствует.

Отмеченные выше закономерности рассеяния света не выполняются, если размеры рассеивающих частиц сравнимы с длиной волны, что часто имеет место в коллоидных растворах. При этом рассеянный свет поляризован частично, степень поляризации зависит от размеров частиц, зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны менее заметна, и индикатриса рассеяния несимметрична относительно линии АА и может иметь сложный вид.

При исследовании рассеяния света в высокогорных районах было установлено, что голубой цвет неба обусловлен молекулярным рассеянием, а не рассеянием на малых частицах. Молекулярное рассеяние света реализуется также на флуктуациях плотности вещества, находящегося в критическом состоянии, на флуктуациях концентрации в некоторых растворах, на молекулярных шероховатостях поверхности жидкости и границы двух жидкостей, особенно вблизи критической температуры смешения. Флуктуации плотности вещества, обусловленные статистическим характером теплового движения молекул, имеют место и в чистых веществах, не содержащих примесей. Эти флуктуации являются причиной флуктуаций показателя преломления () и диэлектрической проницаемости (), нарушающих однородность среды. В электродинамике получена формула, которой определяется интенсивность света, рассеянного на флуктуациях диэлектрической проницаемости:

.

Здесь V* - объем флуктуации, малый по сравнению с длиной световой волны, но содержащий много молекул. В случае молекулярного рассеяния мерой оптической неоднородности является величина .

Эйнштейном была получена формула, носящая его имя,

,

в которой учтена зависимость интенсивности рассеянного света от изотермической сжимаемости среды . Во всех записанных здесь выражениях интенсивность рассеянного света , то есть справедлив закон Рэлея. Именно молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба и красный цвет Солнца на закате. Исследования интенсивности молекулярного рассеяния стали основой для экспериментального определения числа Авогадро.

Рассеяние света на флуктуациях плотности вещества, находящегося в критическом состоянии, было исследовано М. Смолуховским (1908 г.). Рассеяние света в таких условиях называют критической опалесценцией. Интенсивность рассеяния при критической опалесценции велика.

Теоретически показано, что свет, рассеянный на флуктуациях плотности, полностью линейно поляризован в плотноти, перпендикулярной к плоскости рассеяния. Свет, рассеянный на флуктациях анизотропии, деполяризован, при этом коэффициент деполяризации равен 6/7 при освещении рассеивающей среды естественным светом и ѕ - при освещении линейно поляризованным светом с электрическим вектором, перпендикулярным к плоскости рассеяния при наблюдении рассеяния под углом 900. При одновременном влиянии обеих причин рассеянный свет частично поляризован (даже при наблюдении в направлении, перпендикулярном направлению падающего пучка в котором свет, рассеянный молекулой должен быть полностью поляризован). Если падающий пучок распространяется в направлении оси OY, то степень деполяризации рассеянного света варьирует в широких пределах. Так, для водорода она равна 1 %, для азота - 4 %, для паров сероуглерода - 14 %, для углекислоты - 7 %. Для жидкостей степень деполяризации еще больше: для бензола 44 %, для сероуглерода 68 %, для нитротолуола 80 %. Частичная деполяризация света при рассеянии объясняется анизотропией молекул, то есть теми же свойствами среды, что и эффект Керра. Поляризационные измерения рассеянного изучения используются с целью изучения структуры молекул.

2. Комбинационное рассеяние света

оптика свет рассеяние фотон

При тщательном изучении спектров рассеянного света Раманом, Г.С. Ландсбергом и Л.И. Мандельштамом в 1928 г. было показано, что в спектре рассеянного света, кроме линий, характеризующих падающий свет, присутствуют добавочные линии-спутники, сопровождающие каждую линию первичного спектра. Так как линии-спутники сопровождают каждую линию первичного спектра, то ясно, что обнаружение их возможно лишь в том случае, если падающий свет представляет собой совокупность отдельных монохроматических линий, а не сплошной.

Для наблюдения спектров комбинационного рассеяния света необходимо сконцентрировать интенсивный пучок света на изучаемом объекте О. В качестве источника возбуждающего излучения применяют ртутную лампу, в последние десятилетия чаще используют лазеры. Рассеянный свет фокусируется и регистрируется фотографическим (спектрограф) или фотоэлектрическим (спектрофотометр) методом. Экран Э используется для устранения возбуждающего излучения. Конденсоры К 1 и К 2 используются соответственно для концентрации излучения на исследуемом объекте и для фокусирования рассеянного излучения на входной щели спектрального прибора.

Опытным путем установлены следующие законы этого явления:

1) спутники сопровождают каждую линию первичного света;

2) различие в частотах возбуждающего первичного излучения и линий-спутников , , , … характерно для рассеивающего вещества и равно частотам колебаний его молекул:

, , , …;

3) спутники представляют собой две системы линий, расположенных симметрично относительно возбуждающей линии, то есть

,

где и - соответственно частоты коротковолнового ("фиолетового", или антистоксова) и длинноволнового ("красного", или стоксова) спутников возбуждающей линии. Интенсивность красных спутников обычно значительно больше интенсивности фиолетовых спутников;

4) с повышением температуры интенсивность "фиолетовых" спутников быстро возрастает.

Комбинационное рассеяние наиболее часто связано с переходами между колебательными уровнями энергии молекул, и, измеряя частоты линий комбинационного рассеяния, можно определить частоты собственных (или нормальных) колебаний молекулы. Аналогичные закономерности наблюдаются и для вращательных спектров комбинационного рассеяния света.

В квантовой теории механизм комбинационного рассеяния света разделяют на два этапа: 1) поглощение первичного фотона с энергией и 2) испускание фотона с энергией (где ), происходящие в результате взаимодействия электронов молекулы с полем падающей электромагнитной волны. Молекула, находящаяся в невозбужденном состоянии, под действием кванта с энергией сначала переходит в промежуточное электронное состояние, а затем - в состояние с колебательной энергией , испуская при этом квант . Этот процесс сопровождается появлением в рассеянном свете стоксовой линии с частотой . Если фотон поглощается системой, в которой уже возбуждены колебания, то после рассеяния она может перейти в невозбужденное (нулевое) состояние, при этом энергия рассеянного фотона превышает энергию поглощенного кванта. Этот процесс приводит к появлению антистоксова спутника.

Вероятность комбинационного рассеяния, а следовательно, интенсивность линий КРС зависит от интенсивностей возбуждающего I0 и рассеянного I излучения:

,

где a и b - постоянные величины. При возбуждении КРС обычными источниками второе слагаемое, мало и им можно пренебречь. Интенсивность линий КРС в большинстве случаев весьма мала; при этом при обычных температурах интенсивность антистоксовых линий значительно меньше интенсивности стоксовых линий, отношение интенсивностей определяется отношением населенностей возбужденного и основного уровней. С повышением температуры населенность возбужденного уровня возрастает, и растет интенсивность антистоксовых линий.

Интенсивность КРС зависит от частоты возбуждающего света. На больших расстояниях (в шкале частот) от области электронного поглощения она пропорциональна , при приближении к частоте электронного поглощения наблюдается более быстрый рост интенсивности линий КРС. В некоторых случаях при малых концентрациях вещества удается наблюдать резонансное КРС, когда частота возбуждающего света попадает в область поглощения света. При возбуждении КРС лазерами вероятность КРС возрастает и возникает вынужденное КРС, интенсивность которого того же порядка, что и интенсивность возбуждающего света.

Размещено на Allbest.ru