Рассеяние света в мелкодисперсных и мутных средах

Рэлеевское рассеяние, флуктуации и цвет неба

Рассеяние света в мелкодисперсных и мутных средах

Излучение Солнца представляет собой электромагнитное излучение широкого спектра – от радиоволн до рентгеновских.
Максимум интенсивности этого излучения приходится на видимую часть спектра, на желто-зеленый его участок.

    Солнечный свет является белым и представляет собой сочетание света различных длин волн, то есть различных видов света, каждый из которых окрашен в один чистый цвет.

Как же происходит так, что белый солнечный свет, проходя через атмосферу Земли,  превращается в голубой цвет неба днем и приобретает желто-красные или даже розовые оттенки на закате и восходе?     Причина такой окраски неба кроется в самой атмосфере.

Солнечный свет рассеивается в атмосфере Земли и в результате приобретает преимущественно голубой цвет.

Рассеяние света  — это дифракция света на мелких (сравнимых с длиной  световой волны) неоднородностях среды.

То есть для явления рассеяния света существенны нарушение однородности среды и размер образующихся неоднородностей. Нарушения однородности среды могут иметь различную природу: оптическая неоднородность в мутных средах.

Примером могут служить дым(твердые частицы в газе) и туман(капельки жидкости, например воды, в воздухе), взвеси или суспензии(совокупность твердых частичек, плавающих в жидкости), эмульсии(взвесь капель жидкости в другой жидкости, их не растворяющей), твердые тела вроде перламутра или молочных стекол; оптическая неоднородность в идеально чистых средах, обусловленная тепловым движением частиц и вызывающая флуктуации (случайные изменения) плотности, флуктуации концентрации в растворах. Физическая причина возникновения неоднородности такого тапа была указана М. Смолуховским в 1908 г.

    Английский физик Джон Тиндаль первым наблюдал в лабораторных условиях рассеяние света на частицах, малых по сравнению с длиной волны видимого света (1869г.). Он высказал предположение, что голубой цвет неба объясняется рассеянием солнечного света на пылинках, взвешенных в атмосфере Земли. Закономерности, открытые Тиндалем и другими исследователями теоретически объяснил английский математик и физик лорд Рэлей. Он произвел расчет интенсивности света, рассеянного на сферических частицах, размеры которых малы по сравнению с длиной волны падающего света, и нашел, что для первоначального падающего света зависимость интенсивности рассеянного света зависит от:1. интенсивности падающего света;

2. угла наблюдения (угла между направлением распространения падающего света и направлением наблюдения);

3. концентрации частиц среды;4. размера частиц;

5. расстояния от рассеивающего объема до точки наблюдения (обратно пропорционально);

6. соотношения диэлектрических проницаемостей среды и неоднородностей среды;

7. длины волны падающего света в четвертой степени (обратно пропорционально).     Эта зависимость I~1/λˆ4 получила название закона Рэлея. Согласно этому закону интенсивность рассеянного света будет большей для более коротких волн, то есть волн фиолетово-синей части спектра.

Однако воспринимаемый нам цвет неба является все же сине-голубым, а не фиолетовым. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, как видно из приведенного выше графика зависимости интенсивности солнечного излучения от длины волны, интенсивность излучения Солнца в фиолетовом спектре меньше, чем в синем.

Во-вторых, человеческий глаз более чувствителен к синему цвету, чем к фиолетовому.

Физическое объяснение зависимости I~1/λˆ4 состоит в том,  что рассеянный свет является вторичным излучением электронов атомных оболочек, возбуждаемым падающим светом.

Интенсивность этого излучения тем больше, чем больше частота падающего света, то есть, чем короче его длина волны.В 1899 г.

Рэлей показал, что рассеяние солнечного света и разделение его на цветовые компоненты — дело молекул атмосферных газов и что «даже в отсутствие посторонних частиц в воздухе небо все равно было бы голубым».

Таким образом, голубой цвет неба в значительной степени обусловлен неоднородностями атмосферы, вызванными флуктуациями ее плотности вследствие статистического теплового движения частиц.    В общем случае, рассеяние света определяется обеими причинами: оптической неоднородностью мутных сред и флуктуациями плотности в чистых средах.

Итак, голубой цвет неба днем объясняется рассеянием света на неоднородностях среды, вызванных флуктуациями плотности среды и наличием инородных частиц.

Желто-красный цвет неба на закате и восходе объясняется большим расстоянием от рассеивающего объема до точки наблюдения и большим количеством частиц примесей в атмосфере.

Более насыщенный, чем днем, цвет неба в сумерках в зените связан со свойством озонового слоя поглощать излучение красной части спектра.

При прохождении света под малым углом к озоновому слою вследствие более сильного, чем в дневное время (когда путь, проходимый светом меньше) поглощения излучения большей длины волны, рэлеевское рассеяние испытывает «более синий» свет. Поэтому сумеречное небо в зените имеет более насыщенный синий цвет.

1. Г.С. Ландсберг «Оптика», Москва, «Наука», 1976 г.
2. М. Миннарт «Свет и цвет в природе», Москва, «Наука», 1969 г.

3. Джирл Уолкер «Окраска неба дает пищу для изучения рассеяния света», В МИРЕ НАУКИ,(Scientific American), №3 март 1989/
4. Д. Клышко «Рассеяние света».

Источник: https://lkhorunzhaya.livejournal.com/3397.html

Рассеяние света

Рассеяние света в мелкодисперсных и мутных средах

Рассеянием светаназывают явление, при котором распространяющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозмож­ным направлениям.

Необходимое условие для возникновения рассеяния света — наличие оптических неоднородностей, т. е., в частности, областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.

Рассеяние света возникает на оптических неоднородностях среды. Различают два основных вида таких неоднородностей:

1) мелкие инородные частицы в однородном прозрачном веществе. Такие среды являются мутными: дым (твердые частицы в газе), туман (капельки жидкости в газе), взвеси, эмульсии и т. п. Рассеяние в мутных средах называют явлением Тиндаля;

2) оптические неоднородности, возникающие в чистом веществе из-за статистического отклонения молекул от равномерного распределения (флуктуации плотности). Рассеяние света на неоднородностях этого типа называют молекулярным, например рассеяние света в атмосфере.

Уменьшение интенсивности света вследствие рассеяния, как и при поглощении, описывают показательной функцией

I = I0еml(24.10)

где m — показатель рассеяния (натуральный).

При совместном действии поглощения и рассеяния света ослабление интенсивности также является показательной функцией

I = I0еml(24.11)

где m — показатель ослабления (натуральный). Как нетрудно видеть, m = m + kl

Рэлей установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднородностях, приблизительно меньших 0,2l, (l. — длина волны света), а также при молекулярном рассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорци­ональна четвертой степени длины волны (закон Рэлея):

I ~ 1/l4 (24.12)

Это означает, что из белого света веществом, например в точке Д (рис. 24.3), будут преимущественно рассеиваться голубые и фи­олетовые лучи (направление А), а красные — проходить в направ­лении Б падающего света.

Аналогичное явление наблюдается и в природе: голубой цвет неба — рассеянный свет, красный цвет за­ходящего Солнца — изменение спектра белого света из-за значи­тельного рассеяния голубых и фиолетовых лучей в толще атмос­феры при наклонном падении (см.

пояснение к рис. 22.3).

Меньшее рассеяние красных лучей используют в сигнализа­ции: опознавательные огни на аэродромах, наиболее ответствен­ный свет светофора — красный, и т. п. Инфракрасные лучи рассе­иваются еще меньше. На рис. 24.

4 изображены две фотографии пейзажа: на левой, снятой обычным методом, туман сильно ограничил видимость; на правой, снятой в инфракрасном излучении на специальной пластинке, туман не мешает, он оказался прозрачным для более длинных волн.

Если взвешенные частицы велики по сравнению с длиной волны, то рассеяние не соответствует закону Рэлея (24.12) — в знаменателе дроби будет стоять l2. Рассеянный свет теряет свою голубизну и становится белее. Так, пыльное небо городов кажется нам белесым в противоположность темно-синему небу чистых морских просторов.

Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и т. д.

приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях и т. д.

Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы — нефелометрами.

Еще один тип рассеяния света, названный комбинационным рассеянием, был открыт в 1928 г. Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом в Москве и одновременно Ч. В. Раманом в Индии.

Это явление заключается в том, что в спектре рассеяния помимо несмещенной линии, соответствующей частоте падающего света, появляются новые линии, частоты которых n¢ представляют собой комбинацию частоты падающего света n0 и частот ni.

(i = 1, 2, …) колебательных или вращательных переходов рассеивающих молекул:

n¢ = n0 ± ni. (24.13)

Комбинационное рассеяние можно рассматривать как неупругое соударение квантов с молекулами. При соударении квант может отдать молекуле или получить от нее только такие количества энергии, которые равны разностям двух ее энергетических уровней.

Если при столкновении с квантом молекула переходит из состояния с энергией Е' в состояние с энергией Е» (Е» > Е'), то энергия фотона после рассеяния станет равной hn0DЕ, где DЕ = Е» — Е'.

Соответственно частота кванта уменьшится на n1 = DE/h — возникает спутник с большей длиной волны, который условно называют «красным».

Если первоначально молекула находилась в состоянии с энергией Е», она может перейти в результате соударения с фотоном в состояние с энергией Е', отдав избыток энергии DЕ = Е» — Е' кванту.

В результате энергия кванта станет равной hn0 + DЕ и частота увеличится на n1 — возникает спутник с меньшей длиной волны, называемый «синим». Рассеяние кванта hn0может сопровождаться переходами молекулы между различными вращательными или колебательными уровнями Е', Е», Е'» и т. д. В результате возникает ряд симметрично расположенных спутников.

С помощью метода комбинационного рассеяния определяются собственные частоты колебаний молекулы; он позволяет также судить о характере симметрии молекулы.

Спектры комбинационного рассеяния настолько характерны для молекул, что с их помощью осуществляется анализ сложных молекулярных смесей.

Спектроскопия комбинационного рассеяния дает информацию, аналогичную получаемой инфракрасной спектроскопией, но имеет то преимущество, что позволяет работать с водными растворами молекул, используя видимый свет, для которого растворитель прозрачен.

Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и другое приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях, форме частиц и так далее. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы — нефелометрами.

1.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/9_116759_emissionniy-i-absorbtsionniy-spektralniy-analiz-ego-meditsinskoe-primenenie.html

Рассеяние света в мелкодисперсных и мутных средах

Рассеяние света в мелкодисперсных и мутных средах

С точки зрения классической физики рассеяние света состоит в том, что волна света, распространяясь сквозь вещество, является причиной колебания электронов в атомах (молекулах). Данные электроны вызывают вторичные волны, которые распространяются по всем направлениям. Эти волны когерентны между собой, следовательно, подвержены интерференции.

Замечание 1

Расчеты ведут к следующему выводу: если среда является однородной, вторичные волны полностью гасят друг друга по всем направлениям (исключение составляет направление распространения первичной волны). Это означает, что рассеяния в однородной среде не происходит.

В неоднородной среде волны света дифрагирует на мелких неоднородностях среды. Возникает картина дифракции в виде почти равномерного распределения интенсивности по всем направлениям. Данное явление и называют рассеянием света.

Пример 1

Примерами подобных сред являются вещества с явно выраженной оптической неоднородностью, так называемые мутные среды. Это, например, дым, туман (аэрозоли), коллоидные растворы, матовые стекла, и другие вещества, которые имеют мелкие частицы, показатель преломления которых отличен от показателя преломления окружающего вещества.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Законы рассеяния световых волн в мутных средах первым эмпирически исследовал Тиндаль. Такое рассеяние называют Тиндалевским. Падающий на мутное вещество свет частично рассеивается по всем направлениям.

Тиндаль наблюдал то, белый свет при рассеянии становился сиреневатым. Ученый объяснил это тем, что синий цвет и поляризация неба определены рассеянием света солнца на мелких частицах пыли, которая имеется в атмосфере.

Закон Рэлея

Рассеяние света в мутных средах на неоднородностях, размеры которых малы в сравнении с длиной волны, можно фиксировать, к примеру, когда яркий пучок света распространяется сквозь воздух с взвесью мелких частиц дыма.

В том случае, если мутную воду осветить белым светом, то в рассеянном свете вещество будет казаться голубым, это означает, что преобладают короткие волны спектра.

В свете, который прошел толстый слой мутного вещества, выявляются длинные волны, при этом вещество кажется красноватым.

Причиной данного явления стало то, что электроны, которые вынуждены колебаться в атомах электрически изотопных частиц небольшого размера (порядка 0,1$\lambda $) подобны одному диполю.

Данный диполь совершает колебания с частотой, падающей на него волны света, при этом интенсивность света, который он излучает, пропорциональна четвертой степени частоты или обратно пропорциональна четвертой степени длины волны:

Данную зависимость называют законом Рэлея. Из данного закона следует, что волны корочкой части спектра испытывают рассеяние интенсивнее, чет длинные волны.

Поляризация рассеянного света

Интенсивность рассеянного света ($I$) в мутной среде зависит от угла рассеяния ($\theta $):

где $I_0=AI_0\frac{n_0V2}{{\lambda }4}$ — интенсивность света, который рассеян под углом $90\circ$ к направлению изначального направления пучка света, $I_0$- интенсивность падающей волны, $n_0-\ $концентрация частиц, $V$ — объем частиц, $A$ — коэффициент пропорциональности.

Если молекулы рассеивающих частиц электрический изотропны (не полярные молекулы), то рассеянный свет оказывается поляризованным частично по всем направлениям, кроме направления при $\theta =\frac{\pi }{2}\ $. В данном направлении рассеянный свет окажется полностью поляризованным.

В том случае, если размеры неоднородностей сравнимы с длинной световой волны, то электроны в разных местах неоднородности совершают не синфазные колебания. Закон Рэлея нарушается. В таком случае:

Свет, который рассеян под углом $\theta =\frac{\pi }{2},$ поляризован частично.

Если размеры неоднородностей больше, чем длина волны света, спектр рассеянного сета почти совпадает со спектральным составом первичного пучка. Экспериментально данное рассеяние изучал Ми. Индикатрисы рассеяния для больших частиц отличаются от рэлеевских, он не являются симметричными. По виду индикатрис оценивают размер частиц.

Рассеяние Ми

Теория Рэлея неплохо описывает рассеяние на молекулах и малых сферических частицах, радиус которых меньше чем $0,03\lambda $. При увеличении размеров частиц наблюдается отклонение от теории Рэлея и следует использовать теорию Ми. Данная теория учитывает размеры частиц и представляет рассеяние как ряд, малым параметром в нем служит величина:

где $a$ — радиус сферической частицы. Теория рассеяния Ми строго говоря, относится только к сферическим частицам, но термин «рассеяние Ми» используют и для рассеяния частиц другой формы. Из выражения (3) следует, что имеет значение не столько абсолютный размер частиц, а соотношения $\frac{a}{\lambda }$. При $\alpha

Отличия механизмов рассеяния Ми от рассеяния Рэлея вызваны:

  1. При рассеянии Ми следует учитывать влияние переизлучения первичной волны элементарными рассеивателями. В отличие от рассеивания Рэлея рассеиватели у Ми находятся в разных электромагнитных полях. То есть коэффициент преломления в объеме частицы отличен от единицы.

  2. В рассеянии Ми следует учесть различие в фазах излучения элементарных рассеивателей и разность фаз, которую вносит в исследуемое излучение конечное расстояние между элементарными рассеивателями.

    Это ведет к зависимости распределения интенсивности излучения от направления, которая выражает зависимость условий интерференции излучения элементарных рассеивателей от их расположения относительно точки наблюдения.

С точки зрения математики, теория Ми сводится к решению уравнений Максвелла с граничными условиями на поверхности сферической частицы произвольного радиуса. Она характеризуется диэлектрической и магнитной проницаемостью и электропроводностью. Решение имеет вид рядов, которые дают полную информацию о рассеянии.

Рассеянный свет в данном явлении поляризован частично. Даже если падающее излучение неполяризованное. При этом характер поляризации зависит от оптических свойств частиц и направления наблюдения рассеяния.

Важной особенностью рассеяния Ми является его малая зависимость от длины волны.

Пример 2

Приведите примеры рассеяния Ми.

Решение:

Множественность проявлений рассеяния Ми вызвано многообразием частиц, на которых осуществимо рассеяние световой волны.

Так, например, мы наблюдаем данный тип рассеяния, когда видим небо, которое приобрело белесый оттенок при задымлении атмосферы. При полете в самолете на большой высоте нет четкой линии горизонта, ее застилает атмосферная дымка.

Данные явления вызваны рассеянием Ми на аэрозолях воздуха. Непрозрачный туман — рассеяние небольшими каплями воды.

Пример 3

Какого цвета было бы небо, если бы рассеяние света отсутствовало?

Решение:

В том случае, если бы не было рассеяния света, то небо было бы абсолютно черным. На нем все небесные светила выделялись бы более ярко и контрастно. Подобным видно небо из космоса. При наличии атмосферы существенная часть прямого солнечного излучения рассеивается по разным направлениям. Доля рассеиваемого света увеличивается с уменьшением длины волны.

Вследствие чего, рассеянный свет обогащен короткими волнами, что объясняет цвет неба. При закате и восходе прямой свет Солнца проходит через толстый слой атмосферы, в таком случае существенная часть излучения с короткой волной теряется на рассеяние. До поверхности Земли доходят из состава прямого света в основном красные лучи. Поэтому на восходе и закате Солнце красное.

Так же можно объяснить цвет зари.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/optika/rasseyanie_sveta_v_melkodispersnyh_i_mutnyh_sredah/

Booksm
Добавить комментарий