Рассеяние света

Объясняя распространение света в прозрачных средах с волновой точки зрения, мы предполагали, что вторичное излучение электронов, возбужденных световой волной, когерентно с падающим. Действительно, классическая теория дисперсии основана на теории вынужденных колебаний электронов. А вынужденные колебания когерентны с вынуждающими, т. е. с возбуждающей электромагнитной волной. Учет интерференции этого излучения с первичным и приводит к известным законам отражения и преломления. При этом преломленная волна движется только вперед.

Иногда в реальных условиях возникает заметное рассеяние света, т. е. распространение вторичных волн в различных направлениях, не совпадающих с направлением первичной волны.

Существенно здесь следующее: проходящая волна приводит атомы в «возбужденное состояние», т. е. их энергия растет. Через малые (порядка 10-9 с) промежутки времени атомы возвращаются в нормальное состояние, давая вторичное излучение, причем оно уженекогерентно с падающим, так как акты вторичного излучения распределены во времени по случайному закону. В результате вторичное излучение распространяется во все стороны — возникает рассеяние. Такое рассеяние называется резонансным — оно происходит на частотах, лежащих в полосе поглощения, и наблюдать его нелегко.

Рис 8.7

Более распространенный тип рассеяния — рассеяние на неоднородностях, позволяющее, например, следить за распространением светового луча в сосуде с водой при рассматривании его сбоку. В чистой воде рассеяние незначительно. Если же капнуть в воду одеколона (или взять раствор канифоли в спирту), то вода мутнеет и рассеяние сильно возрастает. Пока рассеяние невелико, рассеянный свет имеет голубоватый оттенок (при распространении белого света), а проходящий чуть-чуть желтеет. При увеличении мутности рассеяние усиливается, а в проходящем свете остаются только лучи длинноволновой части видимого спектра.

Так как при восходе и заходе Солнца его лучи проходят значительный путь в нижних слоях атмосферы, содержащих различные загрязнения, то возникает заметное рассеяние и Солнце кажется красноватым.

Теория рассеяния на неоднородностях была дана Рэлеем. Он показал, что частицы, размеры которых малы по сравнению с длиной волны, рассеивают свет более или менее равномерно (рис. 8.7, а), причем интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты. Если же размеры рассеивающих частиц сравнимы с длиной волны, то рассеяние происходит в основном в направлении падающей волны (рис. 8.7, б), а интенсивность его мало зависит от длины волны. Для еще больших частиц длина волны почти совсем перестает влиять на интенсивность рассеянного света (поэтому облака кажутся белыми).

Рис 8.8

Мандельштам показал, что флуктуации плотности атмосферы на больших высотах, где она практически не содержит загрязнений, происходящие в малых объемах (линейные размеры их меньше длины волны), влекут за собой изменения показателя преломления, т. е. создают микронеоднородности, вызывающие сильное рассеяние синей часта спектра солнечного света; поэтому чистое небо кажется синим.

При рассеянии линейно-поляризованного света легко обнаружить существование поляризации. Так, если вдоль оси х распространяется волна с электрическим вектором z, ТО при наблюдении рассеяния вдоль оси у свет виден хорошо (молекулярные диполи излучают в этом направлении). Но при наблюдении вдоль оси z интенсивность рассеянного света очень мала.

Эффект рассеяния поляризованного света использован Умовым в превосходной демонстрации вращения плоскости колебаний в водном растворе сахара (рис. 8.8). Узкий пучок белого света падает на зеркало 3 и идет затем вдоль оси высокого (50 — 70 см) цилиндра М,наполненного водным раствором сахара. Между зеркалом и цилиндром находится поляризатор П. Плоскость колебаний в растворе постепенно поворачивается, причем угол поворота на единицу длины пути зависит от длины волны света. Наблюдатели А и Б, смотрящие на цилиндр в направлениях, образующих прямой угол, воспринимают разную окраску некоторого сечения, а весь цилиндр кажется им пронизанным цветным винтом. Если поворачивать поляризатор, то этот винт также поворачивается. При повороте поляризатора на 90° максимум интенсивности некоторого цвета сменяется минимумом, и наоборот. Во всех рассмотренных случаях частота света при рассеянии сохраняется. Явления рассеяния с изменением частоты света не могут быть объяснены с волновой точки зрения; они описаны в главе 10.