Рэлеевское рассеяние света.

Рассеянием называется преобразование светового потока одного направления в световые потоки разных направлений.

Если среда оптически неоднородна, то распространение света в ней сопровождается его рассеянием вследствие различия коэффициента преломления в разных точках. Различие в коэффициентах преломления в разных точках создается как наличием частиц дисперсной фазы, так и разным числом молекул вещества в малом объеме (флуктуациями плотности или концентрации).

В соответствии с этим различают два вида рэлеевского рассеяния: рассеяние мутными средами и молекулярное рассеяние света. Релеевское рассеяние можно наблюдать невооруженным глазом; для наблюдения молекулярного рассеяния применяют чувствительные фотометры. Для рэлеевского рассеяния выполняются два условия: длина волны остается постоянной λ = const и поглощение отсутствует. Рэлеевское рассеяние отличается от комбинационного рассеяния света (КР), открытого Раманом и Мандельштамом, когда длина волны первичного излучения изменяется, то есть . При комбинационном рассеянии на частоту рассеянного света накладываются колебательные частоты молекул, проявляющиеся в ИК-спектрах. В результате в спектре КР появляются новые линии, частоты которых представляют комбинацию падающей и колебательных частот.

Рассмотрим физическую сущность рассеяния света, являющегося наиболее характерным явлением для коллоидных систем. При нахождении частицы в поле электромагнитных волн светового излучения происходит поляризация атомов и молекул, то есть вследствие смещения электронов возникают диполи. Переменное электромагнитное поле световой волны вызывает появление переменных диполей атомов и молекул. Эти индуцированные диполи осциллируют и являются источником вторичных световых волн с той же длиной волны. В оптически однородной среде фазы этих волн хаотически распределены по объему, и вторичные волны полностью гасят друг друга вследствие интерференции во всех направлениях, кроме направления первичного пучка. В этом случае свет не рассеивается, а проходит прямолинейно. В оптически неоднородной среде вторичные волны не гасят друг друга во всех направлениях, а наблюдаются рассеянные под различными углами световые потоки. Поскольку идеально однородных сред нет, все вещества рассеивают свет в той или иной степени. Рассеяние света коллоидными системами приводит к мутности, наблюдаемой в виде эффекта Тиндаля. Мутность вещества определяется выражением:

(9.1)

где и – интенсивность первичного и проходящего пучков, – толщина образца, – мутность.

Многие коллоидные системы обладают заметной мутностью вследствие интенсивного светорассеяния. Пучок солнечного света или пучок света от кинопроектора часто бывают видны сбоку вследствие интенсивного рассеяния частицами пыли. Растворы полимеров по внешнему виду прозрачны, но на самом деле они обладают незначительной мутностью, вследствие слабого светорассеяния. Чистые газы и жидкости рассеивают свет вследствие флуктуации плотности, а истинные растворы – вследствие флуктуации концентрации.

9.3. Рассеяние малыми частицами.

Рэлей в 1871 году заложил основы теории светорассеяния, применив электромагнитную теорию света к рассеянию малыми непоглощающими сферическими частицами в газообразной среде. Рассмотрим наиболее простой случай – рассеяние поляризованного света малой частицей, представляющей собой точечный центр рассеяния. Пусть электромагнитная волна поляризованного света с интенсивностью и длиной волны падает на малую частицу с поляризуемостью . Частица помещена в начало координат, размер частицы . В молекулах, составляющих частицу, индуцируется осциллирующий диполь и частица становится вторичным источником рассеянного света той же длины волны, что и первичный пучок. Радиус – вектор интенсивности рассеянного света, наблюдаемый под углом , обозначим как . Интенсивность рассеянного света зависит от поляризуемости молекулы α. В результате рассеяния изменяется не только интенсивность, но и состояние поляризации рассеянного света по сравнению с первичным пучком. В случае поляризованного в плоскости чертежа первичного пучка между электрическими векторами падающей и рассеянной волн образуется угол (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Рассеяние поляризованного света малой частицей.

Для поляризованного света справедливо соотношение, установленное Рэлеем:

(9.2)

– угол наблюдения, – расстояние от наблюдателя до частицы.

Проекция зависимости интенсивности рассеянной волны от угла наблюдения на плоскость чертежа синусоидальна, то есть имеет вид, изображенный на рис. 9.2 пунктирной линией. Эта векторная диаграмма, т. е. огибающая, радиус-вектора интенсивности рассеянного света, называется индикатриссой рассеяния.

Рис. 9.2. Проекция угловой зависимости интенсивности рассеянного света на плоскость чертежа (__ __ __) и плоскость, перпендикулярную к чертежу (_ _ _). Сплошной линией изображена индикатрисса рассеяния неполяризованного света малой частицей.

Проекция этой же зависимости на плоскость, перпендикулярную к чертежу, имеет вид окружности (штриховая линия). Проекции индикатриссы рассеяния поляризованного света на две взаимно перпендикулярные плоскости можно представить как две компоненты, на которые можно разложить неполяризованный свет: вертикальную и горизонтальную. Неполяризованный свет можно представить как наложение горизонтально и вертикально поляризованной составляющей. Таким образом, индикатрисса рассеяния неполяризованного света малой частоты представляет собой эллипс, сжатый по малой оси (сплошная линия).

Для неполяризованного первичного пучка справедливо выражение:

(9.3)

Величина называется приведенной интенсивностью рассеяния, или отношением Рэлея. Первый член выражения, стоящего в скобках, единица, соответствует вертикально поляризованной компоненте рассеянного света, второй член, . соответствует горизонтально поляризованной компоненте.

Вследствие того, что интенсивность рассеяния пропорциональна , голубой свет ( = 450 нм) рассеивается сильнее красного ( = 650 нм). Поэтому рассеянный земной атмосферой белый свет кажется голубым при наблюдении под прямым углом к первичному пучку. При наблюдении в направлении первичного пучка, когда солнце близко к горизонту, наблюдается оранжевая компонента. Этой зависимостью объясняется также голубоватый цвет табачного дыма, разбавленного молока и других коллоидных систем. Окраска коллоидной системы зависит от угла наблюдения, поэтому коллоидные системы характеризуются переливами окраски.

Для малых частиц размером менее общая амплитуда света, рассеянного частицей, пропорциональна числу индивидуальных рассеивающих центров в частице, и, следовательно, ее объему или массе. Общая интенсивность рассеянного света пропорциональна квадрату массы частицы. Для дисперсии, состоящей из случайно распределенных частиц массы m, общее количество рассеянного света пропорционально , то есть , так как .

9.4. Рассеяние большими частицами.

Теория светорассеяния усложняется, когда размер частицы превышает . Такие частицы не могут рассматриваться как точечные центры рассеяния. Волны, рассеянные разными участками такой частицы, интерферируют, что вызывает их ослабление (рис. 9.3). Внутричастичная ослабляющая интерференция равна нулю в направлении первичного пучка, то есть при . При этом волны, рассеянные двумя разными точками, находятся в одной фазе. В обратном направлении волны, рассеянные двумя точками, находятся в различных фазах, и поэтому возникает ослабляющая интерференция. Угловая зависимость проекции вектора интенсивности света, рассеянного такой частицей, несимметрична (рис. 9.4). Интенсивность рассеянного света велика в направлении первичного пучка и мала в обратном направлении.

Рис. 9.3. Рассеяние света большими частицами.

Рис. 9.4. Угловая зависимость интенсивности, рассеяния большой частицей.