Рассеяние света

Рассеянием света называется процесс преобразования света веществом, сопровождающийся изменением пространственного распределения, частоты, поляризации оптического излучения и проявляющийся как несобственное свечение вещества. Если частота рассеянного света совпадает с частотой падающего света, то рассеяние называется упругим. В случае различия частот говорят о неупругом рассеянии.

Частицы вещества в процессе вынужденных колебаний электронов, возбуждаемых падающим излучением, становятся источником вторичного рассеянного излучения. Это следует из того, что электрон, движущийся с ускорением, излучает электромагнитную волну (см. § 42). Вторичные волны, переизлучаемые частицами среды, интерферируют, при этом результат интерференции существенно зависит от соотношения длины волны и размеров частиц. Анализ показывает, что если среда идеально однородная, то вторичные волны в результате интерференции гасят друг друга по всем направлениям, кроме первоначального, т. е. в идеально однородной среде излучение не рассеивается. Таким образом, рассеяние может возникать только в оптически неоднородной среде, показатель преломления которой нерегулярно изменяется от точки к точке. Примерами таких сред могут служить так называемые мутные среды – аэрозоли (дым, туман), эмульсии, матовые стекла и т. п., содержащие мелкие частицы, показатель преломления которых отличается от показателя преломления окружающей среды.

Если в неоднородной среде расстояние между неоднородностями много больше длины волны излучения, то эти неоднородности ведут себя как независимые вторичные источники излучения. Излучаемые ими вторичные волны являются некогерентными и при наложении не интерферируют. Поэтому такая среда рассеивает свет по всем направлениям.

Рассеяние света в мутных средах с размерами неоднородностей, не превышающими 0,2 мкм, называется явлением Тиндаля. Его можно наблюдать, например, при прохождении яркого пучка света через слой воздуха, содержащий мелкие частицы дыма, или через сосуд с водой, в которую добавлено немного молока, содержащего мелкие капельки жира. При освещении мутной среды белым светом рассеянный свет при наблюдении сбоку имеет голубоватый оттенок. Наоборот, в свете, прошедшем через достаточно толстый слой мутной среды, начинает преобладать длинноволновое излучение, так что в проходящем свете среда кажется красноватой. Эта закономерность была объяснена в теории рассеяния света на мелких сферических частицах, разработанной Д. Рэлеем в 1899 г. Он показал, что интенсивность света, рассеянного такой частицей, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны:

. (76.1)

По мере увеличения размеров неоднородностей закон Рэлея все более нарушается.

Рассеяние света наблюдается также в чистых средах, не содержащих каких-либо примесей (например, в газах и жидкостях). Оно называется молекулярным рассеянием и обусловлено, как впервые предположил М. Смолуховский, флуктуациями плотности вещества, возникающими в процессе хаотического теплового движения молекул. В 1910 г. А. Эйнштейн разработал теорию молекулярного рассеяния света, которая привела к тем же результатам, что и теория Рэлея. Молекулярным рассеянием в земной атмосфере солнечного света объясняется голубой цвет неба. По тем же причинам при восходе и закате солнечный свет, прошедший сквозь значительную толщу атмосферы, приобретает красно-оранжевый цвет.

Рассеянное излучение часто оказывается частично поляризованным. Поскольку характер рассеяния зависит от размеров и физических свойств рассеивающих частиц, то это широко используется для дистанционного зондирования атмосферы лазерным излучением с целью выявления наличия загрязняющих примесей (такие устройства называются лидарами) или определения оптических параметров состояния атмосферы.