Розсіювання світлового променя у вакуумі. Дослідження просторових характеристик світлових полів у водному середовищі в системах лову риби

Розсіяння У післявоєнній Югославії життя російських білоемігрантів стало дуже тривожним. Після приходу радянських військпочалися арешти та депортації, багато кадетів безвісти зникли в ГУЛАГу. Втім, одиницям вдалося вціліти. Кадет Микита Дурново незадовго до кінця

Голод та розсіювання

Голод і розсіяння У всій земній кулі Британська імперія залишала руїни на шляху своєї експансії. В Ірландії голод йшов за голодом, поки не настав Великий Голод (1845–1849), під час якого півмільйона померли голодною смертю і мільйон емігрували.

Ми милуємося блакитним кольором неба, рум'яною зорею і палаючим усіма кольорами спектру заходом сонця. А чим пояснити ці явища? Чому вдень над нами купол неба синювато-блакитний у зеніті та білястий над горизонтом? Настає вечір, і колір неба на заході стає червоним, а в зеніті та на сході – темно або сіро-фіолетовим. Сонце зайшло, але ще довго сяє небо, поступово настає морок, настає ніч. Чому блакитне небо «спалахує» полум'ям різнобарвної зорі? Чому хмари білі, хмари чорні, а сірий туман?

Подивіться на стовп ніжного диму, що піднімається з труби будинку, особливо рано-вранці, коли немає вітру і сонце стоїть низько. Частина його видно на тлі темного лісу або будівель міста, вона прозоро-блакитна. Верхня його частина, пронизана променями сонця, що сходить, здається ніжно-рожевий. Чому це так?

Із заводської труби піднімаються чорні клуби диму. А ось дим, що йде з труби паровоза, білий. Чому?

Чому раковини та перли сяють білим переливчастим світлом опалесценції?

Опалесценція- явище розсіювання світла каламутним середовищем (наприклад, раковиною, перлами).

Зрештою, чому стоп-сигнали роблять червоного кольору? Всі ці явища мають загальне походження, всі вони пов'язані з розсіюванням та поглинанням світла.

ПОГЛАЩЕННЯ СВІТУ

Візьміть шматочки кольорового скла і подивіться крізь них на білий світ. Ви ще раз переконаєтеся, що це скло поглинає одні промені та пропускає інші. Наприклад, крізь зелене скло проходить зелене світло, решта ділянок спектру воно поглинає. Червоне скло пропускає червоне світло, а зелений та інші кольори поглинає. Якщо ці скла скласти разом, то вони майже не пропускають світло, тому що весь спектр виявляється поглиненим тим чи іншим склом.

Поглинання світла - це ще один із видів взаємодії світла з речовиною, через яку проходять світлові хвилі.

У 1729 р. Бугер встановив, що інтенсивність світла під час проходження через речовину зменшується у геометричній прогресії.

Математично цю залежність (закон Бугера) можна висловити за формулою

де I 0 - інтенсивність світла на початку шляху (при х = 0), а I - інтенсивність світла в кінці шляху х в речовині, е - основа натуральних логарифмів, а - показник (або коефіцієнт) поглинання, величина якого дуже залежить від роду речовини, а для даної речовиниможе залежати від довжини хвилі світла. Так, чорні та непрозорі для світла середовища, тобто сильно поглинають світло, мають великим показникомпоглинання. У цих середовищах інтенсивність світла падає до нуля в шарі, товщина якого не перевищує кількох сотих або навіть тисячних часток міліметра. Є речовини, для яких мало (а→ 0) незалежно від довжини хвилі. Це прозорі речовини, такі, як скло, вода, повітря тощо. безповітряного просторуа = 0. Для газів а ≈ 0. Тому ми маємо можливість бачити зірки, що віддаляються від нас на мільйони світлових років. Існують речовини, які мають вибіркове поглинання. Характер цієї залежності найрізноманітніший і від роду речовини. Одні речовини поглинають широкі смуги спектру, інші – вузькі смужки, що відповідають вузькому діапазону хвиль. Залежність від λ може бути виражена графічно. На малюнку 52 для прикладу наведені криві залежності показника поглинання від довжини хвилі для каламутного середовища (а) і для парів натрію (б).

С. І. Вавілов встановив, що показник поглинання практично не залежить від інтенсивності світла.

Закон Бугера застосовний до рідких розчинів і газів. Для розчинів показник поглинання пропорційний до концентрації розчину (с1): ос = Ас. Тут А - коефіцієнт, що залежить від роду розчину, а також від довжини хвилі. Це дуже корисна для практики особливість, оскільки, порівнюючи інтенсивність світла, що пройшло однакову товщинурозчинів різної концентрації однієї й тієї ж речовини, можна встановити концентрацію (с) речовини у цих розчинах.

У разі, коли розчин має забарвлення, за інтенсивністю його забарвлення можна виміряти концентрацію розчину. Цей метод отримав назву колориметричного (від слова coler - колір).

Заготовте кілька пластин зеленого скла досить густого забарвлення і спробуйте розглядати крізь них розжарену нитку лампи розжарювання, накладаючи одну пластинку на іншу. При малій товщині скла нитка здаватиметься зеленою, при достатній товщині скла вона здасться червоною.

Цей досвід демонструє залежність показника поглинання світла від довжини хвилі. Для зелених променів він більший, для червоних - менше.

На малюнку це показано наочно. Інтенсивність променів пропорційна числу стрілок. Після проходження кожного скла кількість зелених стрілок зменшується втричі, а червоних – удвічі. Тому, незважаючи на переважання зелених променів спочатку, після проходження чотирьох стекол переважатимуть червоні промені.

РОЗСІЯ СВІТЛА

Зробіть нескладний досвід. Візьміть скляну ванну А (рис. 53). Заповніть її чистою водою. Крізь проріз у картонній ширмі С пропустіть яскравий пучок світла BD від сильної лампи S.

Якщо вода досить чиста, то світловий промінь у ній майже невидимий, а на протилежному боці ванни в точці D видно яскраву світлову пляму. Налийте у воду трохи молока або кілька крапель одеколону. Вода стане каламутною, і пучок світла BD в ній різко позначиться, причому вся рідина у ванні випромінюватиме розсіяне світло по всіх напрямках (це особливо добре видно, якщо дивитися на ванну з точки Е в напрямку, перпендикулярному напрямку поширення променя). Зверніть увагу на колір та інтенсивність променя, що пройшов крізь каламутну рідину (у точці D). Він став червонуватим і тьмянішим. Розсіяне ж світло має блакитне забарвлення. Що сталося? Очевидно, що частина світла розвіялася каламутною рідиною, причому найбільше розсіялися блакитні та сині промені, менше – червоні. Вони краще проходять крізь каламутне середовище. Зробіть той самий досвід із двома змінами.

У воду доливайте не молоко, а крейдяну суспензію (суспензія крейди у воді). Зверніть увагу на те, як поводитиметься промінь світла в точці D. Як зміниться його забарвлення? Якого кольору розсіяне світло? Ви, мабуть, здогадалися, що крейди, що розсіюють світло, мають більші розміри, ніж частинки молока. У цьому випадку інтенсивність розсіяного світла менше залежатиме від довжини хвилі - всі хвилі розсіюються майже однаково.

Тепер простежте, як змінюватимуться інтенсивність і забарвлення проходить і розсіяного світла, якщо в посудину долити туші або чорної фарби. Частинки чорної фарби також розсіюють світло. Але чому ж зараз інтенсивність розсіяного світла поменшала? Що відбувається зі світлом, розсіяним частинками туші, що усередині рідини?

Поступово доливайте туш у посуд А. Незабаром світла пляма в точці D зникне, і, якщо прибрати екран С, світла раніше стінка D на тлі яскравішого світла здасться зовсім темною.

Частинки туші не лише розсіюють світло, вони його поглинають. Світло, розсіяне одними частинками, поглинається іншими і не виходить назовні.

У чому причини розсіювання?

Розсіюванням світла називають відхилення світлових променів на всі боки від початкового напрямку. Воно виникає у тих випадках, коли середовище, в якому поширюється світло, є оптично неоднорідним. Неоднорідності можуть виникнути за різних причин: і внаслідок внесення в прозоре середовище частинок прозорого ж речовини, але володіє іншим показником заломлення; і внаслідок внесення непрозорих частинок, що відбивають і поглинають світло (пил, каламут і т. п.); і внаслідок утворення в прозорому рідкому або газоподібному середовищі бульбашок пари. Неоднорідності можуть виникнути і всередині твердої прозорої речовини при його затвердінні або кристалізації, а також всередині рідкої однорідної або газоподібного середовищавнаслідок хаотичного руху її молекул – флуктуації щільності (рис. 54).

Теорія розсіювання світла почала створюватися у минулому столітті. Перші спроби якісного пояснення цього явища належать англійському фізику Тіндалю. Він експериментально встановив, що інтенсивність розсіяного світла, тобто енергія світла, розсіяного в одиницю часу з одиниці об'єму каламутного середовища, обернено пропорційна четвертому ступеню довжини хвилі і залежить від роду речовини, що розсіює.

Надалі Д. Релей у 1881 р. показав, що розсіювання світла залежить від розміру частинок. Малі частинки, розміри яких не перевищують 0,1 довжини хвилі, розсіюють світло приблизно однаково в усіх напрямках, і інтенсивність його обернено пропорційна четвертому ступеню довжини хвилі, як на це вказав Тіндаль. У міру збільшення розмірів частинок, що розсіюють, інтенсивність розсіювання все менше починає залежати від довжини хвилі: вона стає обернено пропорційною третього її ступеня, а потім і другого ступеня довжини хвилі. При цьому все більша кількість світла починає спрямовуватися вперед і менша назад (рис. 55).

Розсіювання світла внаслідок відбиття та заломлення

Якщо в прозоре середовище ввести частинки, що мають відмінний від неї показник заломлення, то на межі між середовищем і часткою відбудеться відображення або заломлення світла. Природно, що внаслідок цього змінюється напрямок його поширення і виникає розсіювання. Якщо частка непрозора, то світло поглинається нею, а енергія світла йде її нагрівання. Втім, і прозорі частинки нагріваються, так як і вони частково поглинають світло, а будь-яке середовище не зовсім прозоре. Таке середовище є неоднорідним і фізично, і оптично.

Якщо ж показник заломлення внесених частинок дорівнює показникусередовища, то при переході світла з середовища в частинку і назад заломлення та відображення не відбуваються. Таке середовище, будучи неоднорідним фізично, виявиться однорідним оптично і розсіювання світла не вироблятиме.

Тепер уже можна відповісти на питання про те, чому Сонце в тумані, диму та пилу здається нам червоним.

Червоні промені краще проникають крізь завісу із дрібних частинок. З цієї причини сигнали лиха, стоп-сигнали, обмежувачі колій, посадкових доріжок для літаків роблять у вигляді ліхтарів із червоним світлом.

Прозорий стовп диму на темному тлі, дим від сигарети, ранковий туман над річкою здаються нам блакитними під час бокового освітлення. У цьому випадку ми бачимо не пряме світло, що йде від джерела світла, а світло, розсіяне дрібними частинками; що менше ці частки, то більш блакитним здається нам завись, що робить розсіювання. Дим від цигарки – зібрання дуже маленьких частинок вугілля. Але якщо він побуде в роті, на частинках диму осядуть кацельки води, частки виростуть, їхня здатність, що розсіює, перестане залежати від довжини хвилі, вони почнуть розсіювати всі довжини хвиль - біле світло.

З тієї ж причини клуби пари, що йде з труби паровоза, туман, хмари здаються нам білими. Вони складаються з досить великих крапельок, які при малому поглинанні розсіюють майже всі довжини хвиль. Стовп диму, крізь який проходять до нас промені сонця, здається у верхній, освітленій частині рожевим, оскільки блакитні промені розсіюються. Навпаки, у нижній, не освітленій сонцем, що знаходиться в тіні частини стовпа, ми бачимо розсіяні блакитні промені.

Якщо прозоре середовище потраплять непрозорі частинки, всі вони поряд з розсіюванням поглинають значну частину енергії світла, інтенсивність розсіяного світла зменшується.

Світло, відображене частинками, що знаходяться всередині об'єму каламутної речовини, потрапляючи на частинки, або значною мірою або повністю поглинається ними. Тому середовище, заповнене непрозорими частинками, навіть будучи освітленим, здається нам темним або чорним.

Прикладом може служити дим, що представляє завись недогорілих частинок вугілля, крапель мазуту або інших рідин, що недогоріли, що випарувалися з палива під впливом високої температуригоріння. Чорними нам здаються також масивні, товсті дощові хмари. Великі масиводи, які у них, як розсіюють світло, а й у значною мірою його поглинають.

Чорними здаються густі хмари пилу, наприклад чорні бурі Середньої Азіїта Сибіру. Їхній грізний, зловісно-чорний вигляд навіть у сонячний день наводить жах на все живе.

Той, хто побував узимку біля берегів Західної Африки, ніколи не забуде величезного червоного диска Сонця. Причина його незвичайного забарвлення в тому, що повітря насичене тонким червоним пилом, піднятим вітром з пустелі Сахари і пассатами, що виноситься далеко в Атлантичний океан.

Молекулярне розсіювання

Молекули речовин мають розміри 2 10 -8 - 6 х 10 -8 см що становить приблизно 0,001 довжини хвилі світла (λ = 550 нм = 5,5 10 -5 см). Ці дрібні освіти не мали б розсіювати світло. Однак досвід показує, що рідини, гази та тверді тіларозсіюють світло. Чим це спричинено?

Відповідь на це питання було запропоновано 1908 р. польським вченим Маріаном Смолуховським. Він висловив думку, що розсіювання відбувається не так на молекулах, але в флуктуаціях молекул.

Флуктуаціями називають відхилення від рівномірного розподілу у просторі та часі частинок, їх кінетичної енергії(а внаслідок цього швидкості та температури) та тиску, викликані хаотичним рухом молекул. На малюнку 54 показані такі скупчення та розрідження частинок газу (вони обведені кружками).

М. Смолуховський розробив спосіб виміру флуктуацій газів, а А. Ейнштейн у 1910 р. побудував математичну теорію флуктуацій, висновки якої добре збігаються з результатами дослідів Смолуховського.

БЛАКИТНЯ КОЛІР НЕБА

Блакитний «прозорий» колір – джерело радості, символ щастя та супутник гарної погоди! Скільки художників намагалися передати блакитність та прозорість небесної блакиті!.. Але як непостійний колір неба! Рано-вранці або після дощу він «покриває» все небо. Він стає бляклим або майже білим над горизонтом особливо під час сухої погоди і переходить у всі кольори веселки на заході сонця або при сході Сонця.

Такий сріблястий над Азовським морем, він стає синім та фіолетовим під час підйому на високі гори. Нашим героїчним космонавтам небо здавалося чорним. Серед дня вони бачили на ньому Сонце та зірки.

У чому причина такого розмаїття кольору неба, такої його мінливості?

Причина не в світлі, що випромінюється самою атмосферою, бо в цьому випадку атмосфера мала б світитися вночі, і не в джерелі синього світла десь за атмосферою, тому що вночі і вдень при підйомі на великі висоти ми бачимо пишність чорного тла, перед яким розташовується атмосфера, а ввечері - вогняні кольори зорі. Причина має лежати у самій атмосфері.

Очевидно, тут відбувається явище, аналогічне тому, що ми спостерігаємо під час проходження світла через дуже розріджений дим.

Роботи М. Смолуховського та розрахунки А. Ейнштейна дозволили пояснити блакитний колір неба та кольору зорі як наслідок розсіювання світла на флуктуаціях щільності повітря.

Флуктуації повітря розсіюють багато фіолетового світла (до якого око мало чутливе), багато синього і блакитного (до якого воно більш чутливе), трохи зеленого та жовтого. Поєднання цих кольорів і дає небесно-блакитний.

Влітку після довгої посухи і вітрів, що піднімають багато пилу, небо здається білястим, але після сильної зливи, що поглинає цей пил і ніби промиває повітря, воно знову стає блакитним і прозорим. Щоразу, коли в повітрі з'являються перисті хмари, що являють собою скупчення Крижаних кристаликів, небо стає білим Блідо-білий колір неба обумовлений розсіюванням світла на відносно великих частках пилу та крижаних кристалах, які однаково розсіюють всі світлові хвилі.

Сонячне світло таке, яким ми його сприймаємо, - це світло, частково поглинене і розсіяне атмосферою. До нас доходять промені Сонця з величезним переважанням довгих хвиль. Тому воно здається нам жовтуватим, а ввечері та вранці, коли промені проходять через значну товщу атмосфери і розсіювання зростає, – червоним.

СВІТЛО І КОЛІР У ГІРНИХ РАЙОНАХ

Гірські пейзажі викликають захоплення чистотою фарб. Причиною є прозорість повітря. Крім того, на великій висоті щільність повітря менша і внаслідок цього його здатність, що розсіює, значно ослаблена. Усі кольори виступають у повній яскравості, створюючи при цьому враження близькості. Звідси зрозумілі помилки, які роблять у оцінці відстані у горах недосвідчені жителі рівнин і міст. Самі того не усвідомлюючи, вони схильні до хорошої видимості, викликаної малим розсіюванням світла, пояснювати близькістю розглянутого пейзажу.

Розглядаючи долини з великої висоти, ми бачимо їх ніби покритими блакитною вуаллю. Таку ж вуаль ми бачимо, спостерігаючи Землю з літака, що високо летить.

Це той же блакитний колір повітря, який ми зазвичай бачимо знизу і який нам здається блакитним небозводом. Тепер ми його розглядаємо згори. Це сонячне світло, розсіяне флуктуаціями повітря.

Спостерігаючи Землю з літака, ми також без звички робимо помилки щодо оцінки як відстаней до Землі, і відстаней Землі.

Особливо цікаво подивитися фотографії та малюнки Землі та її атмосфери, зроблені космонавтами. Але на всіх цих фотографіях Земля видно крізь густий серпанок. Один із знімків, зроблених Г. С. Тітовим, представлений малюнку. На ньому видно обриси атмосфери та розподілу кольорів у ній на зорі - при сході сонця.

Красивий переливчастий колір опалесценції, що спостерігається у перлів раковин, перламутру, пояснюється також розсіюванням світла на найдрібніших неоднорідностях прозорому середовищіречовини.

Найбільш значні флуктуації щільності в газах виникають у критичному станіза критичної температури. При цьому спостерігається настільки інтенсивне розсіювання світла, зване критичною опалесценцією, що навіть порівняно тонкий шар речовини повністю розсіює весь світ, що падає на нього.

СУМІРКИ

Плавного переходу від ночі до дня і від дня до ночі ми зобов'язані розсіювання світла в атмосфері Землі. Близько півтори години триває сутінки, прикрашені в ясні дні каскадами світла на сході та заході - ранковими та вечірніми зорями.

Яким важким був би перехід від ночі до дня і назад, якби не було атмосфери. Він був би миттєвим: абсолютна чорнота замінила б яскраве сяйво абсолютно білого дня, сяйво - чорнота. Відсутність півтіні зробила б межі предметів та кольору виключно різкими. Такими бачили світ Місяця космонавти, що відвідали його.

Сутінки приваблюють як художників і поетів, вони викликають великий інтерес у вчених, які використовують сутінкові явища вивчення верхніх верств атмосфери.

Правильне пояснення сутінкових явищ з урахуванням ідеї про розсіювання світла повітрям (див. малюнок) дав ще 1863 р. Бецольд. У нього ж ми знаходимо гарний опис вечірньої зорі та сутінків:

«При наближенні Сонця до горизонту (5°; 20 хв до заходу сонця) нижня частина західного неба набуває білуватий відтінок, який потім переходить у золотисто-жовтий, а біля самого горизонту - в червоний. Над Сонцем небо здається ніби прозорим. У момент заходу Сонця (0°) світло стає інтенсивнішим і переходить у помаранчевий, а прозоре місце збільшується в горизонтальних розмірах. Одночасно з цим на великій висоті з'являється рожева, або, правильніше, пурпурова, пляма, яка надзвичайно швидко збільшується і зазвичай має форму кола, який при радіусі, що постійно збільшується, здається спускається позаду жовтої частини західного неба. Через деякий час пурпурове забарвлення стає досить інтенсивним. Це перше пурпурове світло. Найбільшої інтенсивності він досягає за негативної висоті Сонця -4°. Промені цього світла фарбують стіни будівель у рожевий колір. Під час найбільшої інтенсивності пурпурове світло має найбільш правильну форму, дуже близьку до кола, центр якого знаходиться трохи вище за жовту пляму, що має в цей час вигляд трохи подовженого в горизонтальному напрямку сегмента. Після цього центр пурпурового кола опускається і коло перетворюється на вузьку смугу, що обмежує зверху жовтий сегмент і називається першою дугою західної зорі. Жовтий сегмент називається першим світлим сегментом. Поступово він темніє, а перша дуга все звужується і, зрештою, зникає біля самого горизонту. У цей час денне світло швидко слабшає і настає кінець громадянських сутінків. Після цього закінчується перша половина астрономічних сутінків. Одночасно із західною зорею спостерігається і східна. При наближенні Сонця до горизонту на заході, на сході небо брудно-жовтого, а потім блакитно-пурпурового відтінку. Як тільки Сонце заходить за обрій, на сході показується попелясто-синій сегмент. Це тінь Землі. Сегмент має назву першого темного сегмента. Він все більше і більше поширюється вгору, а каламутно-пурпуровий колір над ним перетворюється на пояс, що поступово звужується. Це перша дуга східної зорі. Нарешті (-2 °; 8-10 хв після заходу сонця) ця дуга зникає і тоді темного сегмента вже більше не видно, так як він зливається з рештою неба. Деякі спостерігачі, проте, стверджують, що за ним можна простежити до самого зеніту і навіть далі. Ще до настання другої половини астрономічних сутінків у західній частині неба можна спостерігати підготовку цих явищ. Небо починає фарбуватися в жовтий колір, над ним знову з'являється сяйво зорі, а потім і пурпурове світло. Після настання другої половини сутінків (-4, -5 °; 20-25 хв після заходу сонця) інтенсивність цих явищ швидко збільшується, хоча і не досягає, взагалі кажучи, тих розмірів, які мали ці явища в першу половину.

Таким чином, розвивається друге сяйво зорі, другий світлий сегмент, друге пурпурове світло (7°; 30 хв після заходу сонця). Нерідко другого пурпурного світла взагалі не буває, але іноді воно набагато яскравіше першого. Максимуму інтенсивності він досягає зазвичай при негативній висоті Сонця (близько-9 °; 40 хв після заходу сонця). Нарешті зникає і друге пурпурове світло, а зникнення жовтого сегмента характеризує кінець астрономічних сутінків (-17 °; 70 хв після заходу сонця). Іноді в області пурпурового світла бувають видно темно-сині і темно-зелені смуги, що розходяться від Сонця. Це тіньові смуги зорі, які відкидають хмари, що знаходяться безпосередньо під горизонтом. Трапляється бачити й самі хмари разом із тінями, які вони відкидають».

ЯК МОЖНА ПОЯСНИТИ спостерігані явища?

Людина вперше побачила свою Землю ззовні лише у 1961 р. Але ідея використання зорі для вимірювання товщини атмосфери та вивчення процесів, що відбуваються в її верхніх шарах, виникла набагато раніше.

У ХІ ст. арабський лікар Ібн-ель-Хайса (відомий в Європі під ім'ям Альгазен), ґрунтуючись на цій ідеї, знайшов, що глибина повітряного океану дорівнює 5200 крокам. Це зовсім непогано, якщо врахувати, що, за сучасними даними, вище за цей рівень міститься не більше однієї тисячної маси повітря.

У 1863 р. Бецольд запропонував правильне пояснення сутінкових явищ, як результату розсіяння світла атмосферою.

Незабаром з'явилася "математична" теорія зорі. В. Г. Фесенков у 1915 р. запропонував використовувати її для вивчення будови верхніх шарів атмосфери на підставі спостережень зорі. Нижче наводимо основні ідеї цієї теорії.

Земна куля обертається так, що точки поверхні переміщаються із заходу на схід і повертається за добу на 360°. Одна година відповідає повороту на 15 °; на градус Земля повертається за 4 хв. Сонячні промені, що падають на Землю, можна вважати паралельними. Виходячи через обрій, вони занурюються в атмосферу, проходять вздовж земної поверхніі потім йдуть угору. При цьому вони проходять через різну товщу атмосфери різної щільності. Повітряна оболонка Землі має товщину, що перевищує 1000 км. Верхні шари її розріджені та розсіюють світло дуже слабо. Розсіювання світла відбувається головним чином в нижніх шарах товщиною близько 20 км, при цьому нижні шари атмосфери практично непрозорі для променів, що ковзають по поверхні. Це можна побачити, спостерігаючи тінь Землі на Місяці під час місячних затемнень. Краї тіні завжди розмиті.

На малюнку вгорі зображені різні положення точки спостереження А на земній поверхні, починаючи з часу за 1 год до сходу Сонця (A" B) і до 1 год після заходу сонця (А" З). Точки А" і А" з відповідають моменту сходу і заходу. Спостерігачі, що у точках А" і А"з, не бачать Сонця: воно за горизонтом. Тут сутінки. Тільки відблиски зорі нагадують, що є місця, де сяє денне світило.

Як видно з малюнка, шляхи, що проходять світловими променями в атмосфері на зорі (точки А "в і A" з), більше, ніж опівдні (А 2).

Вдень, коли Сонце знаходиться поблизу зеніту, його промені пронизують шар атмосфери товщиною Н ≈ 20 км, на зорі, коли вони ковзають поверхнею Землі, х = 512 км, тобто в 25 разів більше.

Природно, що світло, що йде ближче до Землі, розсіюється атмосферою більше, причому насамперед розсіюються промені короткохвильової частини спектра. Довгі хвилі проникають у атмосферу глибше. Область їх розсіювання починається з деякої точки К і захоплює все більші та більші товщини атмосфери у міру подальшого проникненняв неї. Шари атмосфери товщиною 3-5 км, де розсіяне тільки червоне світло, відокремлені від повної тіні земної кулі деякою межею, яка називається ефективною межею тіні для червоних променів.

У верхніх, розріджених шарах атмосфери товщиною 15-17 км розсіюється тільки короткохвильова чаоть спектру - фіолетові, сині та блакитні промені» Червоні пронизують її, майже не розсіюючись. Поверхня, що відокремлює область розсіювання синіх променів від інших, називають ефективним кордоном тіні для синіх променів.

Між областю розсіювання червоних та синіх променів лежать області переважного розсіювання оранжевого, жовтого, зеленого світла.

Уявімо супутник Землі, що рухається на деякій, невеликій висоті назустріч сонячному світлу. Спочатку він знаходиться в області повної тіні Землі. Його мешканці бачать Чорне небо, а на ньому яскраві зіркита Місяць.

Практично супутник виявиться освітленим червоним розсіяним світлом тільки тоді, коли він пройде з повної тіні через ефективну межу земної тіні для червоних променів і увійде в їх розсіювання. У цей час космонавти побачать на горизонті червоний диск денного світила, що сходить, смугу зорі з усіма кольорами спектру, що плавно переходять від одного до іншого, а вище чорне небо. Поступово до червоного світла додасться помаранчевий, жовтий і т. д. до синього, і нарешті супутник опиниться в променях білого денного світла Сонця, що яскраво сяє на чорному небі.

Подібну картину на горизонті бачить спостерігач, що знаходиться на поверхні Землі, тільки для нього переходи від одного кольору до іншого, зважаючи на більше розсіювання світла щільними, нижніми шарами атмосфери та повільнішого переміщення виявляться більш плавними.

Іншу картину спостерігач побачить у зеніті (А" з 3)-Нижня частина стовпа повітря над головою занурена в тінь і не розсіює світло; верхня - освітлена всіма променями спектра і розсіює світло так само, як денне небо. променями і розсіює тільки їх, тому колір сутінкового неба червоніший за денний.

У будь-якому іншому напрямку (А" 3 М) колір піднебіння залежить від інтенсивності розсіяного кольору в цьому напрямку.

У міру того як Сонце опускається до горизонту під час заходу сонця, явища йдуть один за одним у зворотному порядку: спочатку видно всі кольори спектру, але кожен з них на різній висоті, як це відповідає розрізу кольорового шару малюнку. При опусканні Сонця під обрій поверхня неба, освітлена червоними променями, як і, як і перед сходом, збільшується, небо червоніє. Якщо за обрієм знаходяться хмари, то ефективна межа тіні для червоних променів піднімається (хмари їх загороджують) і небо синіє. Самі ж хмари, розташовуючись нижче за ефективну межу тіні для синіх променів, освітлені тільки червоними променями, тому вони так яскраво палають на зорі пурпурним світлом.

Ще одне питання може цікавити спостерігачів оптичних явищ природи: чи є відмінність між зорею світанку і зорею заходу сонця?

Якщо воно є, то дуже незначне.

Вранці повітря набагато чистіше, ніж увечері, особливо у густонаселених місцях. Роса, ранковий туман сприяють очищенню повітря. Тому кольори ранкової зорі більш ніжні та прозорі. Вранці більше блакитного та рожевого кольору.

Важливо також і те, що око, яке добре відпочило за ніч, більш чутливе і краще сприймає деталі колірних переходів. Крім того, освітленість поступово зростає і це також сприяє кращому баченню.

Сутінкові промені

Якщо за горизонтом чи на горизонті під час сходу чи заходу сонця є хмари, то можна часто спостерігати красиві сонячні промені, що виходять величезним віялом через обрій. Вони виходять із уявної точки за обрієм, де знаходиться Сонце. Це зумовлено контрастом між світлом Сонця, розсіяним повітрям і тінню, що кидається хмарами, що знаходяться за горизонтом на відстані від 19 до 700 км від спостерігача, а тому невидимими.

Подібні промені можна бачити вдень, коли Сонце знаходиться за краєм темної хмари, а в повітрі є достатньо частинок, що розсіюють світло.

ЗМІНИ ОСВІЧНОСТІ ПІД ЧАС СУМІРОК

Око - це прилад, який дуже добре пристосовується як до великої освітленості, так і малої. Тому ми бачимо досить добре і в сутінки, хоча освітленість зменшується в порівнянні з денною приблизно в мільйон разів.
Щоб скласти уявлення про залежність освітленості від занурення Сонця під горизонтом, можна скористатися наступною таблицею.

Дещо змінивши відому приказку, можна сказати: «У сутінках усі кішки сірки». У сутінки кольори перестають бути помітними, всі предмети стають сірими, у зв'язку з тим, що змінюється характер зору спостерігача. Зір перемикається з менш чутливого органу кольору колбочок на більш чутливий, але не розрізняє кольорів орган - палички. Люди, у яких уражені палички, а також птахи та деякі тварини після заходу Сонця погано бачать. Цей недолік зору називають «курячою сліпотою».

РАНКОВА ТА ВЕЧІРНЯ ЗОРІ ЯК ПРИМІТИ ПОГОДИ

З давніх-давен люди користувалися спостереженням зорі для передбачення погоди.

Багато народів, що особливо живуть на рівнинах, берегах морів, зіставляючи спостереження зорі з іншими прикметами, досягли у справі передбачення погоди великої досконалості. Потрібно врахувати, що погода в Європі частіше переміщається із заходу на схід, ніж навпаки; тому вечірня зоря є більш показовою, ніж ранкова. Червоний захід сонця означає, що повітря чисте на заході і назавтра очікується хороша погода. Якщо із заходу наближається циклон, то темні хмари відкидають тіні на великий простір і вечірнє небоздається коричнево-жовтим. Якщо до того ж дме західний вітер, Наступного дня або через день очікується дощ.

Червоний схід означає, що на схід від нас немає скупчень хмар. Червоне забарвлення піднебіння при сході Сонця посилюється, якщо над нами знаходяться перисті хмари, що передвіщають можливість нового зниження атмосферного тиску. Горизонтальні смуги на горизонті здаються яскраво-червоними, коли повітря має багато пилу чи крапель води. Вранці у повітрі пилу мало, отже, у ньому є краплі води.

При високому тискута гарна погода увечері небо ясно та ми бачимо пурпурове світло; вранці у разі часто буває туман.

КВІТА ВОЛОГИХ ПРЕДМЕТІВ

Вологі пористі та шорсткі предмети темніші за сухі. Так, мокрі земля та асфальт здаються нам чорними, тоді як сухі вони сірі. Змочений пісок набуває соковитий темно-горіховий колір, трава – темнозелений. Мокру тканину легко відрізнити за кольором від сухої.

Очевидно, що при змочуванні тіл збільшується коефіцієнт поглинання світла і зменшується коефіцієнт відображення. Але чому?

Кожне з цих тіл має відображення світла двох типів - спрямованим (дзеркальним) та дифузним (розсіяним). Ми бачимо тіла у розсіяному відображенні. Спрямоване відбите світло може проходити повз очі спостерігача, тоді воно невидиме, або потрапляти в очі, тоді спостерігач бачить відблиски (згадайте відсвіти на класній дошці).

Коли на шорстку поверхню потрапляє рідина, вона заповнює нерівності. Поверхня тіла стає гладкою, і частка дзеркального відображеннязбільшується, зате зменшується частка розсіяного відображення і тіло здається нам темнішим.

Волога, що потрапила на пористі тіла, Покриває не тільки поверхню тіла, вона проникає в пори або щілини (наприклад, у траві між листям), покриваючи їх поверхню зсередини і зменшуючи відбиття світла від стінок пір і щілин внаслідок повного внутрішнього відбиття.

Таким чином, світло, що потрапило в пору або щілину, поглинається в ній після багаторазового відображення, час або щілина здаються нам темними або чорними, внаслідок чого здається більш темною поверхня всього тіла.

СВІТЛО І Тканина

Для різних цілей люди застосовують тканини, що відрізняються одна від одної матеріалом, конструкцією, забарвленням та ступенем блиску та матовості.

При фарбуванні тканини частинки фарби проникають у проміжки між клітинами волокна, а потім при освітленні тканини білим світлом відображають або поглинають різні кольори спектру різного ступеня. Відбите світло, потрапляючи в око, створює враження відповідного кольору. Білі тканини відбивають і розсіюють всі кольори спектру, кольорові - лише деякі, обрані, темні - в більшою міроюпоглинають і мало відбивають.

Штучні волокна набувають кольору від пластмаси, з якої їх виготовляють (віскоза, капрон, лавсан та ін, рис. 56, а). Тканини рослинного походження в необробленому вигляді сіруваті або жовтуваті. Їх відбілюють різними речовинами (хлор, перекис водню та ін), які знебарвлюють природні пігменти, що фарбують волокна, і тканина стає білою.

Відображення світла може бути спрямованим та розсіяним (дифузним). Поверхні, що дають спрямоване відбиття, відрізняються блиском, що дають розсіяне відбиття-матові. Однак навіть дуже темні і матові тканини мають деякий блиск, у чому можна переконатися, направивши на тканину вузький пучок світла.

Найменше спрямоване відображення мають ворсові тканини - оксамит, плюш та ін. Вони поглинають майже весь світ, що падає на них, так як промені світла, потрапляючи між ворсинками, багаторазово відбиваються від їх поверхонь, втрачаючи при кожному відображенні значну частку енергії внаслідок поглинання. В результаті інтенсивність відбитого світла становить нікчемну частку від інтенсивності світла, що впало на тканину. Так, наприклад, чорний оксамит відображає не більше 0,2% енергії світла, що впало на нього, і тому є майже абсолютно чорним тілом.

Але якщо ворс пригладжений або зім'ятий (рис. 56, б), то в деяких напрямках від нього йде світло, Відбитий один раз, а в інших-відбитий багаторазово.

Світло, відображене одноразово, виявляється більш інтенсивним, ніж відображене багаторазово. Розсіяно відбите світло має забарвлення, що відповідає кольору тканини (ворсинок), а спрямовано відбите несе переважно забарвлення того світла, яке падає на тканину. Наприклад, якщо зелену ат-. Свою стрічку висвітлюватимемо денним світлом, то в місцях, де вона розсіює світло (не блищить), вона виглядає зеленою, блискучі ж її ділянки - білого, трохи зеленого кольору. Це відбувається тому, що частина світла, відбита від поверхні ниток, не проникає в глиб тканини, не взаємодіє з речовиною фарби і не втрачає при відображенні свого відносного вмісту квітів. Інша ж, невелика частина світла проникає всередину речовини, частково поглинається речовиною, частково відбивається, частково розсіюється крупинками барвника приблизно однаково в усіх напрямках, у тому числі й у напрямку відбитого світла, надаючи йому своє забарвлення.

Якою ж має бути поверхня тканини, щоб вона давала направлене відбиття, тобто блиск? Вона має бути по можливості гладкою. Для цього її треба було б відполірувати, як полірують поверхню металу, дерева чи інших тіл. Але це неможливо. Для того, щоб поверхню тканини наблизити до полірованої нитки, з яких вона складається, намагаються розташувати по можливості паралельно один одному. У цьому випадку елементарні волокна, з яких складаються нитки, будуть також паралельні один одному і даватиму спрямоване відображення. Особливо бажано, щоб нитки були слабо скручені. Тоді довгі відрізки волокон, видимі на поверхні матерії, матимуть напрямок, близький до напрямку ниток (рис. 56, зліва). При високій крутці відрізки волокон на поверхні ниток будуть короткими і сильно відрізняються у напрямку від самих ниток. Тканини з таких ниток виявляться матовими (рис. 56, в, праворуч).

Розглянемо одну нитку (або волокно), яку уявімо собі циліндричної. Це може бути нитка штучного волокна, одержуваного продавлюванням рідкої пофарбованої пласмтаси через циліндричні отворифільєрів. Уздовж цієї нитки світло відбивається спрямовано, поперек неї – розсіяно (рис. 56, г). Те саме буде при розгляді низки паралельних ниток. Дивлячись вздовж них, ми побачимо блискучу поверхню, поперек – матову. Так у сатину або атласу нитки на лицьовій стороні укладені паралельно один одному довгими ділянками через кілька ниток качка, і ця сторона блищить. На зворотному боці, де нитки качка переплетені одна через одну з нитками основи тканина виглядає матовою.

Особливий ефект переливаються можна отримати, якщо качок зробити з ниток одного кольору, наприклад зеленого, а основу з іншого, наприклад червоного.

Часто можна бачити лляну білу скатертину з візерунком, який здається темнішим, ніж навколишній фон, якщо дивитися на скатертину з одного боку, і світліше фону, якщо дивитися з іншого боку. Причина вказана вище, блиск тканини залежить від розташування волокон. Уздовж волокон тканина здається більш блискучою (рис. 56, д). Блиск тканини також залежить від роду речовини, з якої складаються волокна. Так, наприклад, шовкова нитка більш блискуча, ніж бавовняна або вовняна. Це з формою самого волокна. Гладке волокно надає блиску нитки та тканини. Іноді навмисне знижують блиск волокон, додаючи у розчин, з якого роблять штучні волокна, нерозчинні тонкі порошки (наприклад, двоокис титану), крупинки його збільшують розсіювання світла.

> Розсіювання світла атмосферою

Формула та умови релеївського розсіювання світла- Як світло розсіюється в атмосфері. Читайте характеристику та поведінку електромагнітної хвилі, що полязує.

Релеєвське розсіювання характеризує процес розсіювання молекул газу атмосфері. Він також пояснює, чому небо синє.

Завдання навчання

• Розберіться у відносинах хвильових частинок, що призводять до релеївського розсіювання.

Основні пункти

• Світлове розсіювання називають релеєвським. Воно може торкнутися будь-якої електромагнітної хвилі, якщо вона стикається з частинками, меншими за довжини хвиль.
• Кількість розсіяного світла знаходиться в зворотної пропорційностічетвертого ступеня довжини хвиль світла. Тому короткі (зелений і синій) розсіюються легше за довгі (жовтий і червоний).
• Чим ближче ви до джерела світла, тим менше розсіюється світло, тому що кут наближається до 90 градусів. Тому наша зірка має жовтий відтінок, а решта неба – синя.
• У космічному просторі немає атмосфери, тож небо – чорне, а Сонце – біле.
• У період заходу сонця світло проходить крізь збільшений обсяг повітря. Це підвищує ефект розсіювання, а світло на прямому шляхуздається помаранчевим, а чи не блакитним.

Терміни

• Електромагнітні промені – складаються з осцилюючих електричних та магнітних полі, розташованих перпендикулярно.
• Поляризованість – схильність системи електричних зарядів до поляризації, якщо є зовнішнє електричне поле.

Релеївське розсіювання

Релеєвське розсіювання - пружне розсіювання хвиль частинками, що поступаються за розміром довжин хвиль. Частинки повинні мати показник заломлення, наближеним до 1. Цей закон відноситься до всіх електромагнітних променів, але тут ми торкнемося ситуації з впливом атмосфери на видиме світло.

Розсіювання Релея пов'язане з поляризацією молекул. Полярність характеризують по тому, як заряди в молекулі вібрують у межах електричного поля. Вираховується за формулою:

де I – результуюча інтенсивність, I 0 – вихідна інтенсивність, α – поляризується, λ – довжина хвилі, R – дистанція до частки, θ – кут розсіювання.

Швидше за все вам не потрібно буде використовувати рівняння, але важливо зрозуміти, що розсіювання ґрунтується на довжині хвилі. Чим коротша довжина, тим сильніше розсіювання.

Чому небо синє?

Ми знаємо, що світлове розсіювання виступає обернено пропорційним четвертому ступеню довжини світлової хвилі. Тобто чим коротша довжина, тим сильніше розсіюється. Подібний «короткий» показник спостерігається у зеленого та синього, тому їхнє змішування можна помітити у небі.

Якщо ви наблизитесь до Сонця, світло не буде розсіюватися, тому що створюється 90-градусний кут. При такій дистанції ви почнете розрізняти червоний і жовтий, тому ці кольори пофарбована наша зірка під атмосферним фільтром.

Чому захід сонця червоний?

Почервоніння біля горизонту з'являється через те, що світові доводиться пробиватися крізь величезний повітряний об'єм. Це підвищує ефект релеївського розсіювання та прибирає весь синій колір зі шляху спостереження. Той, хто залишився, має більш довгі хвилі, тому здається червонуватим.

Градієнт квітів у небі під час заходу сонця

100 рбонус за перше замовлення

Виберіть тип роботи Дипломна роботаКурсова робота Реферат Магістерська дисертація Звіт з практики Стаття Доповідь Рецензія Контрольна робота Монографія Розв'язання задач Бізнес-план Відповіді на запитання Творча роботаЕсе Чертеж Твори Переклад Презентації Набір тексту Інше Підвищення унікальності тексту Кандидатська дисертація Лабораторна роботаДопомога on-line

Дізнатись ціну

Це найбільш характерне оптична властивістьдля колоїдних систем. Світло розсіюється у всіх напрямках.

Це явище спостерігав Фарадей (1857) щодо золя золота.

Описано явище Тіндалем у 1868 році.

Через чисті рідини та молекулярні розчини світло просто проходить. Через колоїдно-дисперсні системи з розміром частинок 10-7-10-9 см промінь світла, зустрічаючи на своєму шляху частинку, не відбивається, як огинає її, відхиляється і дещо змінює свій напрямок (дифракція).

Чим менша довжина хвилі променя світла, тим більший кут відхилення.

Тіндаль виявив, що при освітленні колоїдного розчинуяскравим світловим пучком шлях його видно при спостереженні збоку у вигляді конуса, що світиться - конус Тиндаля.

Мал. 3.2. Спостереження конуса Тіндаля.

Це явище названо опалесценція(Від кольору опала: молочно-блакитний колір) - матове світіння, найчастіше блакитнуватого відтінку. Використовується для визначення колоїдних систем.

Опалесценцію слід відрізняти від флуоресценції – світіння істинних молекулярних розчинівдеяких барвників у світлі. Причинами флуоресценції є внутрішньомолекулярне збудження.

Теорія світлорозсіювання була розроблена Релеєм (1871) для сферичних, що не проводять електричного струмучастинок (розведених систем).

Рівняння Релея має вигляд:

Інтенсивність розсіяного світла;

Інтенсивність падаючого світла;

І - показники заломлення дисперсної фази та дисперсійного середовища;

Концентрація в частках (кількість частинок в одиниці обсягу);

Об'єм окремої частки;

Довжина хвилі падаючого світла.

З рівняння Релея випливають висновки:

1. При рівності показників заломлення середовища та частки () перетворюється на нуль – розсіяння світла відсутня.

2. Чим менше довжина хвилі падаючого світла () тим більше буде розсіювання.

Якщо на частинку падає біле світло, то найбільш розсіюються сині і фіолетові компоненти (у світлі розчин пофарбований в червонуватий колір, в бічному відображенні - в блакитний).

Дисперсні системи прозорі по відношенню до довгохвильової області спектру (червона, помаранчева, жовта).

По відношенню до короткохвильової частини спектру (фіолетової, зеленої, синьої) – непрозорі.

Колір світлофора добре проглядається в тумані (червоний, помаранчевий – кольори небезпеки).

Синю лампу не видно з літака (маскування).

Синє небо вдень – розсіювання коротких хвиль сонячного світла атмосферою землі.

Червоний колір неба на сході і заході сонця - спостерігається світло, що пройшло через атмосферу.

3. Максимальне світлорозсіювання відбувається у системах із розміром частинок<(2-4)·10-8 м, что соответствует коллоидной дисперсности.

При збільшенні частинок до розміру, що перевищує довжину хвилі – відбувається віддзеркалення світла. Зникає опалесценція, з'являється каламутність. Та область розмірів частинок, де інтенсивність розсіяного світла максимальна називається релеївською областю.

Мал. 3.3. Розсіяння світла суспензією сульфату барію.

4. Рівняння Релея дозволяє:

Якщо відомий радіус () та обсяг () частинки, визначити концентрацію;

Якщо відома концентрація (), визначити радіус () та обсяг () частки.

Залежність інтенсивності розсіяного світла від концентрації дисперсних частинок та його розмірів використовують у дослідницькій і лабораторної практиці.

Метод хімічного аналізу, заснований на вимірі інтенсивності світла, розсіяного дисперсною системою нефелометрії.

Для спостереження колоїдних частинок звичайні мікроскопи не підходять. У 1903р. австрійський хімік Р. Зігмонді, спільно з німецьким фізиком Зідентоффом створили спеціальний метод дослідження – ультрамікроскопію.В ультрамікроскопі колоїдні розчини висвітлюються збоку (бічне освітлення) і спостерігаються у вигляді крапок, що світяться на чорному тлі.

Процес розсіювання світла полягає в запозиченні атомом, молекулою або іншими частинками речовини енергії у ЕМВ, що поширюється в середовищі, і перевипромінювання цієї енергії в деякому тілесному куті. Іншими словами, в результаті розсіювання виникає розкид напрямків хвильових векторів ЕМВ за збереження повної енергії світлової хвилі.

Якщо середовище розглядається як безперервне, то джерелом розсіювання виступають оптичні неоднорідності середовища. У цьому випадку середовище феноменологічно характеризується показником заломлення, що змінюється, а «розміри» областей, на яких відбувається розсіювання, визначаються відстанями, на яких відбувається значна зміна показника заломлення. За своїм фізичним змістом розсіювання є дифракцією хвилі на неоднорідності середовища.

Типи розсіювання. Характер розсіювання насамперед залежить від співвідношення між довжиною хвилі та розміром частинок. Якщо лінійні розміри частинки менше, ніж приблизно довжини хвилі, то розсіювання називається релеєвським на ім'я Дж.В. Релея (J.W. Rayleigh) (1842-1919), який вивчив цей вид розсіювання. При великих розмірах частинок заведено говорити про розсіювання Г.А. Мі (1908). При розмірах частинок порядку довжини хвилі ефекти розсіювання поступово перетворюються на дифракційні. Хоча спочатку розвинена Густавом Мі (1868–1957) теорія стосувалася лише сферичних частинок, термін «розсіяння Мі» використовується і частинок неправильної форми. Для малих частинок теорія Мі призводить до результатів теорії Релея.

Важливим окремим випадком оптичної неоднорідності є неоднорідність оптичних властивостей середовища, в якому поширюється деяка звукова хвиля. Внаслідок цього виникають гармонійний розподіл оптичної неоднорідності середовища у просторі та гармонійна зміна оптичних властивостей у часі. Внаслідок просторової гармонійної неоднорідності оптичних властивостей спостерігається дифракція світла на хвилі. Через війну гармонійного зміни оптичних властивостей у часі у кожному точці середовища спостерігається зміна частоти дифрагированного світла. Ця зміна частоти дифрагованого на звуковій хвилі світла отримала назву розсіяння Мандельштама – Бріллюена . Воно було незалежно відкрито Л.І. Мандельштамом (1879-1944) і Л. Бріллюен (1889-1969).

Квантові властивості молекул проявляються в комбінаційному розсіюванні світла, що характеризується зміною частоти розсіяного світла в порівнянні з частотою падаючого. Зважаючи на специфічно квантову природу цього розсіювання воно також виділяється в окремий тип.

Розсіяне часткою випромінювання може бути розсіяне іншою часткою і т.д. У цьому випадку говорять про багаторазове розсіювання. Воно у кожному з послідовних актів здійснюється за законами одноразового розсіювання. Остаточний результат виходить підсумовуванням результатів одноразових розсіянь з урахуванням статистичних характеристик їхнього прямування один за одним.

Модель елементарного розсіювача. Електрони, які у електричне полі електромагнітної хвилі, здійснюють коливальний рух із частотою хвилі. Якщо хвиля поширюється у позитивному напрямку осі X(рис. 9.1), а електричний вектор коливається в площині, то рівняння руху електрона має вигляд:

де - коливання напруженості електричного поля світлової хвилі, m і e- Маса та заряд електрона; ω 0 – власна частота коливань електрона. Згасання коливань електрона за рахунок випромінювання вважатимемо зневажливо малим.

Для відхилення електрона від положення рівноваги знаходимо:

. (9.2)

Електрон, що коливається, сам є випромінювачем. Його випромінювання розсіяне. Т.ч., моделлю елементарного класичного розсіювача світла є елементарний класичний випромінювач – електричний диполь, що у полі ЕМВ.

Електрон входить до складу атома, що є електрично нейтральною системою. Тому можна вважати, що коливання електрона відповідно (9.2) відбуваються біля точки рівноваги, в якій знаходиться позитивний заряд (іон). Цей заряд можна вважати практично нерухомим, оскільки його маса набагато більша за масу електрона. Отже, (9.2) може бути записано у вигляді формули для дипольного моменту:

. (9.3)

Поле випромінюваної диполем електромагнітної хвилі у сферичній системі координат (рис.9.1) описується формулами:

(9.4)

де – відповідно полярний та аксіальний кути; r- Відстань від диполя до точки, в якій визначається поле. Згадаймо з курсу «Електрика», що лінією коливань диполя випромінювання відсутня.

Щільність потоку енергії в напрямку, що характеризується кутами, дорівнює:

. (9.5)

Враховуючи (9.3), та середня Sза часом, знаходимо:

, (9.6)

Потік енергії в тілесний кут, що спирається на елемент площі сфери дорівнює:

. (9.7)

Звідси для інтенсивності розсіювання, яка визначається як відношення потоку розсіяної енергії від одного елементарного випромінювача до тілесного кута, знаходимо:

. (9.8)

За допомогою співвідношення (1.51) цю формулу запишемо у вигляді:

, (9.9)

де - Середнє значення щільності потоку енергії в падаючій хвилі.

Примітка.Якщо всіх формулах, починаючи з (9.8) взяти класичне визначення інтенсивності, і з обох сторін відповідних рівностей ставити інтенсивності, то цих формулах з'явиться множник .

Релеївське розсіювання. Якщо розміри розсіювача набагато менші за довжину хвилі, то всі елементарні диполі випромінюють когерентно. Під релеївським розсіянням зазвичай розуміється розсіювання молекулами середовища, тому що розміри звичайних молекул (не макромолекул) завжди набагато менші за довжину хвилі видимого світла. Елементарні розсіювачі, що належать різним молекулам, випромінюють некогерентно, тому що, по-перше, відстань між молекулами може бути досить великою і, по-друге, внаслідок руху молекул відбуваються флуктуації густини середовища. З урахуванням цих обставин укладаємо, що інтенсивність розсіяної хвилі від однієї молекули збільшується пропорційно квадрату числа N 0 елементарних розсіювачів у ній. Концентрацію молекул позначимо N. Отже, в одиниці обсягу є елементарних диполів. З курсу «Електрика» відоме співвідношення

, (9.10)

де n- Показник заломлення середовища. Тоді для інтенсивності розсіювання від однієї молекули отримуємо таку формулу:

. (9.11)

Отримані формули справедливі для випадку, коли власна частота коливань електронів набагато більша за частоти видимого спектру і ближнього ультрафіолету. Ця умова в більшості випадків дотримується. Також тут передбачалося, що частоти коливань всіх електронів у молекулі однакові. Діаграма спрямованості ( індикатриса розсіювання ) поляризованого світла показано на рис. 9.2.

Повна інтенсивність розсіювання однією часткою по всіх напрямках виходить інтегруванням (9.11) по всіх кутах розсіювання:

. (9.12)

Оскільки різні молекули розсіюють некогерентно, повна інтенсивність розсіювання в одиниці об'єму речовини обчислюється множенням виразу (9.12) на концентрацію Nмолекул.

Для не дуже щільних газів показник заломлення і, отже, можна прийняти. Для інтенсивності розсіювання в одиниці обсягу в цьому випадку одержуємо:

. (9.13)

Закон Релея. З (9.14) видно, що інтенсивність розсіювання обернено пропорційна четвертого ступеня довжини хвилі ( закон Релея ):

Законом Релея пояснюється, наприклад, блакитний колір неба та червонуватий колір Сонця на сході та заході. На сході і заході спостерігається світло, в якому в результаті розсіювання за законом Релея короткохвильова частина спектра (фіолетова) ослаблена значно сильніше за довгохвильову (червону) частину. В результаті інтенсивність довгохвильової (червоної) частини спектра відносно зростає і сприймається оком як червоний колір Сонця. Відносна зміна інтенсивності різних частин спектра буде помітною лише за досить великому розсіюванні. Тому Сонце в зеніті, коли товща атмосфери, що проходить променями, не дуже велика і розсіювання світла незначне, не має червоного кольору. Однак і в цьому випадку розсіювання та поглинання суттєво змінюють спектральний склад випромінювання, що досягає поверхні Землі.

При спостереженні хмарочоса вдень у око потрапляє розсіяне випромінювання, у якому сильніше присутня короткохвильова частина спектра, що відповідає блакитному кольору. Поза земною атмосферою небо видається чорним, а в око потрапляють лише прямі промені від зірок.

Кутовий розподіл та поляризація світла при релеївському розсіянні. Кутовий розподіл розсіювання поляризованого випромінювання від окремої молекули (9.11) аксіально-симетрично щодо напрямку коливань електричного вектора хвилі падаючої (рис. 9.1). Перпендикулярно напрямку поширення падаючої хвилі вздовж лінії коливань Ерозсіювання відсутнє. Максимальне розсіювання спостерігається у площині, перпендикулярній до напряму коливань електричного вектора падаючої хвилі. Розсіяне випромінювання поляризоване – електричний вектор коливається у площині, що проходить через лінію коливань електрона елементарного розсіювача.

Для розрахунку кутового розподілу некогерентного розсіювання неполяризованої хвилі представимо падаючу хвилю у вигляді суперпозиції двох лінійно поляризованих у взаємно перпендикулярних площинах хвиль (1 я – у площині ZX, 2-а – у площині YX). Розсіювання неполяризованого світла знаходиться з (9.11) додаванням інтенсивностей і виходить аксіально симетричним щодо напрямку падаючої хвилі ( X):

. (9.15)

Індикатрису розсіювання неполяризованого світла показано на рис. 264.

Картина розсіювання аксіально-симетрична щодо напряму поширення падаючої хвилі. Розсіювання вперед і назад однаково інтенсивні та розподілені симетрично щодо центру розсіювання.

При розсіюванні неполяризованого світла спостерігається частково поляризоване розсіяне випромінювання, ступінь поляризації якого залежить від кута. Ступінь поляризації визначається співвідношенням:

. (9.16)

Лише при кутах та обидві компоненти поляризації присутні з однаковою інтенсивністю. При інших кутах більш інтенсивно присутній розсіювання, в якому електричний вектор коливається перпендикулярно т.зв. площині спостереження (площини, утвореної векторами kі r).

З (9.16) слід, що у напрямі, перпендикулярному падаючої хвилі, світло повністю лінійно поляризоване.

Ослаблення інтенсивності світла . В результаті розсіювання щільність потоку енергії світла, що поширюється в середовищі, послаблюється. Середовища з явно вираженою оптичною неоднорідністю називаються каламутними . До них відносяться дими (аерозолі), суспензії (суспензії), емульсії, молочне скло і т.д. Розсіювання у таких середовищах називають ефектом Тіндаля і враховують через показник розсіяння γ, що адитивно входить у показник екстинкції експоненти закону Бугера:

Розсіяння Мі. Теорія Релея добре описує як розсіювання на молекулах, а й у досить малих сферичних частинках, радіус яких менше приблизно 0,03λ. При збільшенні розмірів частинок стають помітними відхилення від прогнозів теорії Релея і необхідно користуватися теорією Мі, Теорія розсіювання Мі враховує розміри частинок і виражає розсіювання у вигляді рядів, малим параметром в яких служить:

, (9.18)

де a- Радіус сферичної частки. Теорія розсіювання Мі відноситься власне лише до сферичних частинок. Проте термін «розсіяння Мі» вживається також для розсіювання на частках інших форм. Як видно (9.18), має значення не абсолютний розмір частинок, а співвідношення розміру частинки і довжини хвилі. При розсіювання стає релеєвським, тобто. Релеєвське розсіювання є граничним випадком розсіювання Мі.

Розподіл інтенсивності по кутах та поляризація випромінювання у розсіянні Мі. У великих частках є багато молекул. Елементарні диполі кожної молекули під впливом ЕМВ входять у коливання і стають джерелами вторинних хвиль, що становлять розсіяне випромінювання. У цьому плані механізм розсіювання Мі аналогічний механізму розсіювання Релея. Відмінності зумовлюються лише двома обставинами.

1. При розсіянні Релея всі елементарні розсіювачі перебувають у полі однієї й тієї хвилі і випромінюють когерентно. При розсіянні Мі необхідно врахувати вплив перевипромінювання первинної хвилі елементарними розсіювачами, у результаті елементарні розсіювачі перебувають, взагалі кажучи, над однакових електромагнітних полях.

2. У розсіянні Релея випромінювання від елементарних розсіювачів однієї й тієї ж частки (молекули) інтерферує між собою за однакової різниці фаз незалежно від напрямку. У розсіюванні Мі необхідно враховувати відмінність у фазах випромінювання елементарних розсіювачів і різницю фаз, що вноситься у спостережуване випромінювання кінцевою відстанню між елементарними розсіювачами. Остання обставина призводить до суттєвої залежності розподілу інтенсивності випромінювання від напрямку, що виражає залежність умов інтерференції випромінювання елементарних розсіювачів від їхнього взаємного розташування щодо точки спостереження.

У математичному сенсі теорія Мі зводиться до розв'язання рівнянь Максвелла з граничними умовами на поверхні сферичної частки довільного радіусу, що характеризується діелектричною та магнітною проникністю та електропровідністю. Рішення виходить у вигляді рядів, які дають повну інформацію про розсіювання. У цілому нині виходить досить громіздка теорія. Вкажемо лише деякі важливі результати.

1. Зі збільшенням розміру частинок (точніше) з'являється асиметрія розсіювання вперед і назад – превалює розсіювання вперед, проте до різких максимумів і мінімумів. При подальшому збільшенні розмірів частинок спостерігається пересіювання вперед з багатьма вторинними максимумами, розподіл яких залежить від розмірів частинок.

2. Розсіяне світло частково поляризоване навіть при неполяризованому, падаючому на частинки випромінюванні, як і при релеївському розсіювання. Характер поляризації залежить від оптичних властивостей частинок та напрямки, в якому спостерігається розсіяне світло. Якщо падаюче світло поляризоване, то поляризація розсіяного світла залежить також і від його поляризації.

3. Важливою особливістю розсіювання Мі є його слабка залежність від довжини хвилі для частинок, лінійні розміри яких набагато більші за довжину хвилі, що істотно відрізняється від розсіювання Релея. Завдяки цьому, наприклад, хмари є білими, а небо – блакитним.

Розсіяння Мандельштама – Бріллюена . При дифракції на звуковій хвилі виникають лише два максимуми першого порядку (див. розділ «Дифракція світла» (6.63)). Амплітуда дифрагованої хвилі змінюється разом із коефіцієнтом пропускання та коефіцієнтом заломлення середовища, обумовленим зміною щільності середовища у хвилі. Отже, амплітуда змінюється гармонійно з частотою звукової хвилі. Тому спостерігається у напрямі дифракційних максимумів напруженість електромагнітної хвилі описується формулою:

Таким чином, у розсіяному світлі повинні спостерігатися дві сателітні частоти, розташовані симетрично щодо основної частоти падає світла. Сателіт з частотою називається стоксовим , а з - антистоксовим . Вони є компонентами розсіювання Мандельштама – Бріллюена. З урахуванням показника nзаломлення середовища, швидкості поширення звуку v в середовищі та малості кута дифракції φ можна отримати формулу Мандельштама – Бріллюена :

. (9.20)

У рідинах у більшості випадків поряд із частотами спостерігається також і частота? Наявність незміщеної частоти в дифрагированном світлі обумовлюється оптичною характеристикою середовища, яка змінюється у часі за гармонійним законом, а приблизно постійної. Така стала складова оптичної неоднорідності виникає за рахунок флуктуації в середовищі, які вирівнюються за короткі в порівнянні з періодом звукової хвилі проміжки часу, зокрема флуктуації ентропії, які вирівнюються за допомогою теплопровідності.

В аморфних твердих тілах можливі як поперечні, і поздовжні хвилі з різними швидкостями. Кожна з хвиль призводить до розсіяного світла до виникнення двох сателітів. Тому всього у розсіяному випромінюванні спостерігається п'ять компонент, включаючи незміщену. У кристалічних твердих тілах число компонентів збільшується відповідно до числа хвиль, що поширюються з різними швидкостями та різними напрямками коливань, і числом електромагнітних хвиль, які можуть поширюватися в кристалі в даному напрямку. Розрахунок показує, що у випадку кристалі виникають 24 зміщені компоненти.

Комбінаційне розсіювання. Припустимо, що оптичні властивості молекули змінюються за гармонійним законом, внаслідок чого амплітуда розсіюваного молекулою світла також змінюється за гармонічним законом. Напруженість електричного поля розсіяного світла, що спостерігається, аналогічно (9.19) дорівнює:

де Ω – частота, що характеризує зміну оптичних властивостей молекули, ω – частота падаючого молекулу світла. Коефіцієнт враховує ефективність модуляції амплітуди падаючого світла молекулою.

Видно, що в розсіяному випромінюванні є хвилі з частотами . Наявність зміщених частот у розсіяному молекулою випромінюванні називається комбінаційним розсіюванням . Воно було відкрито 1928 р. Ч.В. Романом, Г.С. Ландсбергом та Л.І. Мандельштам. Кожна із спектральних ліній первинного випромінювання у розсіяному випромінюванні супроводжується цілою системою сателітів, частоти яких відстоять від центральної частоти на величини, характерні для молекули. Можна сказати, що молекули володіють набором власних частот коливань її оптичних властивостей, які у спектрі розсіювання проявляються відповідно до формули (9.21). Частоти розсіяного світла комбінуються із частоти падаючого світла та власних частот коливань молекули.

Система сателітів симетрична щодо частоти падаючого випромінювання. Супутники з боку великих частот називаються фіолетовими або антистоксовими , а з боку менших – червоними чи стоксовими . Досвід показує, що найближчі до центральної частоти стоксові супутники значно інтенсивніші, ніж антистоксові, проте з підвищенням температури ця різниця зменшується, оскільки інтенсивність сателітів антистоксів значно зростає.

Спектри випромінювання молекул називають смугастими, тому що вони мають вигляд смуг, що складаються з близьких ліній. Такий вид спектра обумовлюється розмиванням лінійного електронного спектра випромінювання молекули за рахунок енергетичних переходів молекули між коливальними та обертальними рівнями енергій. Енергетична відстань між коливальними рівнями значно більша, ніж між обертальними. Тому смуга в спектрі утворюється як би в два етапи - на певних відстанях від частоти випромінювання в результаті електронного переходу утворюються лінії коливального спектра, а біля кожної лінії коливального спектра утворюються дуже близько розташовані лінії за рахунок обертальних переходів. Вивчення спектрів випромінювання молекул та їх комбінаційних спектрів розсіювання показало, що комбінаційні частоти завжди збігаються з відповідними різницями частот коливального спектра молекул або, іншими словами, комбінаційні частоти збігаються із власними частотами коливань молекул. Однак не всім власним частот коливань молекул вдається зіставити комбінаційну частоту в спектрі комбінаційного розсіювання і, крім того, немає простого зв'язку між інтенсивністю лінії поглинання в спектрі молекули і відповідної лінії комбінаційного розсіювання.

Класична інтерпретація комбінаційного розсіювання дозволяє зрозуміти зміст комбінаційних частот, але не в змозі пояснити багато кількісних закономірностей, наприклад, чому інтенсивності стоксових та антистоксових компонентів різні. Комбінаційне розсіювання є квантовим за своєю природою і може бути повністю описане лише квантовою теорією.

Комбінаційне розсіювання дає прямий метод дослідження будови молекул, дозволяючи вимірювати частоти власних коливань, вивчати симетрію молекул, внутрішньомолекулярні сили, молекулярну динаміку тощо. Спектри комбінаційного розсіювання настільки характерні для молекули, що з їх допомогою можна проводити аналіз будови складних молекулярних сумішей, коли хімічні методи аналізу не дають бажаних результатів.