Рассеяние света

Прозрачный оптический кабель, передающий световое (красный цвет) излучение

Зеркальное отражение

Разбросанное отражение

Рассеивание света или другого электромагнитного излучения — вариант распространения лучей в случайных направлениях, связанный с взаимодействием излучения и вещества, а также с неоднородностями в среде или на поверхности, или передачи излучения волн между двумя системами.

Рассеивание при отражении от неоднородной поверхности называется диффузным рассеянием.

Большинство объектов, которые каждый видит, видимо должны осветить и рассмотреть (отражение) в виде рассеивания лучей от их поверхностей. Кроме того, это первичный механизм физического наблюдения.Рассеивание света зависит от длины волны или частоты рассеиваемого света. Так как видимый свет имеет длину волны при рассмотрении величиной в микрон, намного меньшие длины волн не могут быть замечены даже при помощи микроскопа. Коллоидные частицы всего в 1 мкм дали возможность рассмотреть и отфильтровать непосредственно в водной среде.

Передача различных частот света важна в границах от стекла окна (оборудования или стратегических объектов) к волокну оптических кабелей, а также при передаче сигналов в ракетных системах обнаружения с наведением по тепловому лучу с использованием инфракрасных лучей (ИК). Передача световой энергии через оптическую систему может быть уменьшена поглощением, отражением и рассеиванием.

Введение

Характеристики света и его взамодействие с окружающей средой может пролить свет и ответить на вопрос о структуре и поведении исследуемого материала. Если рассеявшие центры находятся в движении, то рассеянная радиация - перемещающийся элемент объекта . Анализ спектра рассеянного света может таким образом привести к информации относительно движения центра рассеивания. Периодичность или структурное повторение в рассеявшейся среде вызывают вмешательство в спектр рассеянного света. Таким образом, исследование рассеянной легкой (световой) интенсивности как функция рассеивания угла даёт информацию о структуре, пространственной конфигурации, или морфологии рассеивающей среды.

Световое рассеивание в жидкостях и твёрдых частицах могут рассматриваться как первичные материальные среды:

• Прозрачная структура: насколько упакованная завершением её атомы или молекулы являются, и действительно ли атомы или молекулы показывают устойчиву, постоянную систему, свидетельствующую о наличии прозрачных твердых частиц.
• Гладкая структура: рассеявшиеся центры, включающие колебания плотности и/или состава.
• Микроструктура: рассеявшиеся центры, включающие внутренние поверхности в жидкости в значительной степени благодаря колебаниям плотности и микроструктурным дефектам в твердых частицах, типа зерен, границ зерна и микроскопических пор.

В процессе легкого рассеивания, самый критический фактор - величина длины любых из этих структурных особенностей относительно длины волны рассеиваемого света.

Обширный обзор рассеивания света (РС) в жидкостях охватывает большинство механизмов, которые вносят свой вклад в спектр рассеянного света в жидкостях, включая плотность, анизотропию, и колебания концентрации. Таким образом, исследование РС - тепло, управляемое колебаниями плотности (или Рассеяние Мандельштама - Бриллюэна), использовалось успешно для измерения структурного расслабления и ((viscoelasticity) в жидкостях, так же как разделении фазы, витрификация и сжимаемости в элементах. Кроме того, введение динамического легкого рассеивания и спектроскопии корреляции фотона сделало возможным измерение зависимости времени пространственных корреляций в жидкостях и твёрдых фозах в промежутке времени расслабления между 10⁻⁶ sec и 10⁻² sec секундами в дополнение к еще более коротким периодам времени – или более быстрым событиям протекания. Поэтому стало весьма ясно, что РС является чрезвычайно полезным инструментом для того, чтобы контролировать динамику структурного расслабления в средах в различных временных и пространственных координатах и поэтому обеспечивает идеальный инструмент чтобы определить количество вместимости различных стеклянных составов для управляемой РС передачи волны надёжно в далекие инфракрасные части электромагнитного спектра.

Следует отметить: РС в идеальном прозрачном (неметаллическом) теле без дефекта, не имеющего никаких центров рассеивания падающих лучей света, будет прежде всего относится к любым эффектам гармонических колебаний в пределах рассматриваемой решётки. Передача РС будет очень направлена из-за типичной анизотропии прозрачных веществ, которая включает их симметрию и Решетку Браве. Например, семь различных прозрачных форм кварца (кремниевый диоксид, SiO₂ направленный) являются ясными, прозрачными материалами.

Типы рассеивания

• Рассеяние Рэлея - упругое рассеивание света или другого электромагнитного излучения объектами или поверхностями, намного меньшими, чем длина волны падающего света. Это часто может происходить на прозрачных твердых частицах и жидкостях, но более распространено в газах. Этот тип рассеяния происходит в лучах синего цвета неба в течение дня. Рассеяние Рэлея обратно пропорционально четвертой степени длины волны, что означает, что более короткая длина волны синего света будет рассеяна более сильно, чем более длинные длины волны (например, зеленый и красный цвета). Это придаёт небу синюю окраску.
• Рассеяние Ми рассеивается в виде лучей света сферическими частицами.
• Рассеяние Рэлея-Ми, рассеивающий в специальном случае, где диаметр частиц является намного меньшим, чем длина волны света.
• Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна может следовать из взаимодействия легких фотонов с акустическими или вибрационными квантами (фононы). Рассеивание вызвано дифракцией в плоскости монохроматических световых волн непосредственными, синусоидальными колебаниями плотности (то есть постоянные тепловые, звуковые волны или акустические фононы). Световая волна, как полагают, рассеяна максимумом плотности или амплитудой акустического фонона, в той же самой манере в случае, когда рентгеновские лучи рассеяны кристаллическими частицами в теле. Роль кристаллических элементов в этом процессе походит на вид колебаний плотности или звуковых волн в средах. Взаимодействие состоит из неэластичного процесса рассеивания, в котором фонон или создан или уничтожен. Энергия (и таким образом частота) рассеянного света немного увеличена или уменьшена.
• Раман-рассеяние подобно рассеянию Мандельштама-Бриллюэна в тех обоих случаях, представляют неэластичные процессы рассеивания света. Различие находится в обнаруженном диапазоне изменения частоты и типе информации, извлеченной из образца. При Раман—рассеянии фотоны рассеяны косвенно с вибрационными и вращательными переходами в молекулах. Спектроскопия Raman поэтому используется, чтобы определить химический состав и молекулярную структуру, в то же время как Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна измеряет свойства в большем масштабе, т.е. типа упругого поведения.

Упругие волны

Тепловое движение в жидкостях может быть расчленено на элементарные продольные колебания (слуховой аппарат фононы), в то время как поперечные колебания (или волны ) были первоначально описаны только в упругих твердых частицах, показывающих важное значение вопроса прозроности и чистоты среды. Это - фундаментальная причина, почему простые жидкости не могут поддержать напряжение сжатия, а скорее уступить через макроскопическую пластмассовую деформацию (или вязкий поток). Таким образом, факт, что тело искажает, сохраняя его жесткость, в то время как жидкость уступает макроскопическому вязкому потоку в ответ на заявление о величине силы жатия, что принято многими как механическое различие между двумя этими средами..

Несоответствия этого заключения, однако, были указаны Frenkel в его пересмотре теории эластичности в жидкостях. Этот пересмотр следует непосредственно из непрерывной особенности структурного перехода от жидкого состояния в твердое, когда этот переход не сопровождается кристаллизацией — следовательно в состояние переохлажденной жидкости. Таким образом мы видим близкую корреляцию между поперечными акустическими фононами (или волны сжатия) и началом жесткости на сооружениях, как описано Bartenev в его механическом описании процесса строительства.

Отношения между этими поперечными волнами и механизмом эластичности были описаны одним автором, который предложил, чтобы начало корреляций между такими фононами привело к ориентационному заказу или «замораживанию» местных усилий сжатия в формирующих фазах отвердевания жидкого стекла, таким образом приводя к стеклянному переходу. Молекулярное движение в сжатом вопросе может поэтому быть представлено рядом Fourier, физическая интерпретация которого состоит из суперположения сверхзвуковых продольных и поперечных волн атомного смещения с переменными указаниями и длинами волны. В monatomic системах, мы называем эти волны: как плотность колебания. (В многоатомных системах, они могут также включить композиционные колебания.)

Скорости продольных акустических фононов в вопросе сжатия непосредственно ответственны за тепловую проводимость, которая выравнивает температурные дифференциалы между сжатыми и расширенными элементами объема. Киттэль предложил, чтобы поведение элементов интерпретировалось в терминах приблизительно постоянной «средней свободной дорожки» для фононов решетки, и что ценность средней свободной дорожки имеет порядок величины масштаба хаоса в молекулярной структуре жидкости или тела. Клеменс впоследствии подчеркнул, что транспорт высокой температуры в диэлектрических твердых частицах происходит через упругие колебания решетки, и что этот транспорт ограничен упругим рассеиванием акустических фононов дефектами решетки (например беспорядочно раздельные вакансии). Эти предсказания были подтверждены экспериментами на коммерческих материалах и стеклянной керамике, где средние свободные дорожки были очевидно ограничены внутренней границей рассеивания к величинам длины 10 - 100 микрометров.

Рассеяние Мандельштама - Бриллюэна

Первое теоретическое исследование рассеивания света (РС) тепловыми фононами было издано в 1918. Брайллоуин предсказал независимо рассеивание света от тепловых возбуждениях акустических волн. Достаточное экспериментальное подтверждение в общем было в жидкостях и кристаллах.

С развитием лазерной технологии, оригинальные эксперименты, используя технику рассеяния Мандельштама - Бриллюэна на расплавленном стекле кварца, подтверждали существование структурных интерфейсов и дефектов в пространственных размерах 10 - 100 микрометров. Механизм поглощения звука в твердых частицах, который является ответственным за демпфирование упругих волн атомного и молекулярного смещения (или плотность и композиционные колебания) – рассматривал Akheiser, который расценил поглощение, как возникновение частично из потока высокой температуры и частично из вязкого демпфирование (сжатия). В этой интерпретации, смодулированные фононы «расслабляются» к местному тепловому равновесию через гармонические столкновения фонона с фононом. Это ослабление, уменьшение — процесс создания энтропии, который удаляет энергию из звуковой волны при сопроводении её и таким образом заглушает это. Эти выводы, кажется, совместимы с интерпретацией Зенера о внутреннем трении в прозрачных твердых частицах, являющихся тепловыми потоками из-за взаимной грануляции.

Усовершенствования теории позволили разумно предсказать акустическую потерю непрозрачных твердых частиц от известных тепловых и упругих свойств. Результаты указывают, что инфракрасные оптические вибрационные способы могут внести свой вклад в такие явления. Это не удивительно в свете понятия, что оптические фононы могут действительно нести высокую температуру в прозрачных твердых частицах, если аккустически-оптический энергетический кризис является достаточно маленьким и если оптическая скорость группы фононов является достаточно большой.

Механизмы ослабления высокочастотных способов в волнах сжатия и в продольных волнах рассматривал Масон и др. в лабораториях звука с вязкими жидкостями, полимерами и телами. Последующая работа в Физическом факультете Католического Университета Америки привела к полностью новой интерпретации стеклянного перехода в вязких жидкостях в терминах спектра структурных явлений расслабления, происходящих в определённых диапазонах времени и длины. Экспериментально, с помощью экспериментов рассеивания света делает возможным исследование молекулярных процессов в интервалах времени почти 10⁻¹¹ sec секунд. Это эквивалентно распространению доступного частотного диапазона от 10⁹ Гц или больше, чем 10⁹ Гц.

Критические явления

Колебания плотности ответственны за процессы критической туманности, которая возникает в области непрерывного, или второго момента перехода фазы. Явление обычно демонстрируется в двойных жидких смесях, типа метанола и циклогексана. Поскольку к критическому пункту приближаются размеры газовой и жидкой области фазы, которые начинают колебаться с более и более большим размерам длины волны. Т.к. величина длины волны колебаний плотности приближается к длине волны света, свет рассеивается (диспергирует) и заставляет обычно прозрачную жидкость казаться облачной.

См. также

• Волоконная оптика
• Рассеивание