Рассеяние света. Закон Рэлея

Процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходящий через вещество, возбуждает колебания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны становятся источниками вторичных волн, распространяющихся по всем направлениям.Вторичные волны являются когерентными,поэтому необходимо учесть их взаимную интерференцию.Соответствующий расчет показывает, что в случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны. По этой причине перераспределение света по направлениям, то есть рассеяние,отсутствует. В направлении первичной волны вторичные волны, интерферируя с ней, образуют результирующую волну с фазовой скоростью отличной от с. Этим, как отмечалось ранее, объясняются преломление и дисперсия.

Рассеяние света возникает только в неоднородной среде. Световые волны, дифрагируя на неоднородностях среды, дают дифракционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям. Такую дифракцию на мелких неоднородностях называют рассеянием света.

Среды с явно выраженной оптической неоднородностью носят название мутных сред. К их числу относятся:

1) дымы, то есть взвеси мельчайших твердых частиц в газах;

2) туманы-взвеси в газах мельчайших частиц жидкости;

3) взвеси или суспензии, образованные плавающими в жидкости твердыми частичками;

4) эмульсии, то есть взвеси мельчайших капелек одной в другой, не растворяющей первую;

5) твердые тела вроде перламутра, опалов, молочных стекол.

В результате рассеяния света в боковых направлениях интенсивность в направлении распространения убывает быстрее, чем в случае одного поглощения. Поэтому для мутного вещества в выражении (2.19.11), наряду с коэффициентом истинного поглощения c, должен стоять добавочный коэффициент c ^', обусловленный рассеянием:

J=J₀e^-(c+c')l. (2.19.12)

Величина c' носит название коэффициента экстинкции. Если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной световой волны (не более 0,1l), интенсивность рассеянного света J оказывается пропорциональной четвертой степени частоты и обратно пропорциональной четвертой степени длины волны:

(2.19.13)

Эта зависимость носит название закона Рэлея. Даже тщательно очищенные от посторонних примесей и загрязнений жидкости и газы, которые нельзя считать мутными средами, в некоторой степени рассеивают свет. Л.И.Мандельштам и М.Смолуховский установили, что причиной проявления оптических неоднородностей является в этом случае флуктуации плотности.Эти флуктуации вызваны беспорядочным движением молекул вещества; поэтому обусловленное ими рассеяние света называется молекулярным.

Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба. Непрерывно возникающие в атмосфере, вследствие беспорядочного молекулярного движения, места сгущения и разрежения воздуха рассеивают солнечный свет. При этом согласно закону Рэлея голубые и синие лучи рассеиваются сильнее, чем желтые и красные, обуславливая голубой цвет неба. Когда Солнце находится низко над горизонтом, распространяющиеся непосредственно от него лучи проходят большую толщину рассеивающей среды, в результате чего они оказываются обогащенными большими длинами волн. По этой причине небо на заре окрашивается в красные тона.