Рассеивание

Рассеивание — общий физический процесс, где некоторые формы излучения, типа света, звукa, или перемещения частиц, вызывают отклонения перемещений от прямой траектории одним или более ограниченными неоднородностями в среде, через которую эти явления проходят.

В обычной ситуации — это отклонение отраженных лучей электромагнитных волон (угла падения и угла отражения). Анализ, которому подвергается рассеивание, часто называют разбросанным и неразбросанным — зеркальным (подобно зеркалу).

Типы неоднородностей, которые могут вызвать рассеивание, иногда известное как рассеиватели или рассеивание центрами, являющимися слишком многочисленными, но в качестве маленьких элементов включают частицы, пузыри, капельки, колебания плотности в жидкостях, дефекты в прозрачных твердых частицах, шероховатость поверхностей, ячейки в организмах, и текстильных волокнах в одежде. Эффекты таких особенностей на пути почти любого типа размножающейся волны или перемещающейся частицы могут быть описаны в структуре теории рассеивания.

Некоторые области, где рассеивание и теории рассеивания важны, включают:

• восприятие радара,
• ультразвука в медицине,
• осмотр пор полупроводника,
• контроль процесса полимеризации,
• коробку слухового аппарата,
• свободно-космические коммуникации,
• машинно-генерируемые образы (например, в машиностроении, нанотехнологии).

Теория рассеивания

Главные проблемы исследования в рассеивании часто связаны c гипотезами и высказываниями о том, как различные системы рассеивают излучение, которое может почти всегда решаться вычислительной системой. Широко изученный, но более трудный вызов — обратная проблема рассеивания, в которой суть состоит в том, что любое теоретическое и гипотетичкое доказательство на практике может быть визуально подтверждено или опровергнуто при наблюдении. Вообще, инверсия не уникальна; несколько различных типов центров рассеивания могут давать начало однотипному виду рассеянной радиации. Таким образом проблема не разрешима в общем случае. К счастью, есть способы, позволяющие извлечь некоторые полезные вещи, хотя не все. Информация о рассеивателе, и эти методы широко используются с учётом зрительного восприятия и заключениями метрологами (Colton и 1998 Kress).

Электромагнитное рассеивание

Диаграмма Feynman рассеивания между двумя электронами эмиссией действительного фотона.

Электромагнитные волны — одна из самых известных и обычных форм излучений, которые подвергаются рассеиванию. Рассеивание света и радиоволн (особенно в радаре) особенно важно. Несколько различных аспектов электромагнитного рассеивания достаточно различающиеся, чтобы носить известные называния. Главные формы упругого рассеивания света (вовлекающий незначительную передачу энергии) — рассеивание Рэлея и рассеивание Mie. Неэластичное рассеивание включает рассеяние Мандельштама - Бриллюэна, рассеивание Raman, неэластичное рассеивание рентгеновсого излучения и рассеивание Comptonа.

Рассеивание света (легкое рассеивание) — один из двух главных физических процессов, которые вносят свой вклад в видимое восприятие большинства объектов. Другая форма — поглощение света. Поверхности объектов, описанные как белые (RGB), должны почти полностью рассеивть и отражать свет. Отсутствие поверхностного рассеивания приводит к блестящему или глянцевому состоянию. Легкое рассеивание может также дать цвет некоторым объектам, обычно оттенки синих (как с небом, человеческой радужной оболочкой, и перьями некоторых птиц (Prum и др. 1998)), но резонансное легкое рассеивание в наноизмерении длин волн могут произвести различные высоко влажные и яркие оттенки, особенно когда поверхность находится в состоянии плазмы или вовлечена в процесс плазменнго резонанса (Roquй и др. 2006). Легкое рассеивание может быть разделено на три области, основанные на безразмерном параметре размера α , который определен как

$\mathit{\alpha}\mathrm{{=}}\mathrm{\frac{\mathit{\pi}\;{D_p}}{\mathit{\lambda}}}$

Где:

• Dp - является окружностью частицы,
• λ - длина волны радиации инцидента, снованный на значениях α:

В областях:

• α <<1: рассеивание Рэлея (маленькая частица по сравнению с длиной волны света)
• α = 1: Mie, рассеивающий (частица о том же самом размере как длина волны света)
• α >> 1: Геометрическое рассеивание (частица, намного большая чем длина волны света)

Рассеивание Рэлея - процесс, в котором электромагнитная радиация (включая свет) рассеяна маленьким сферическим объемом с различным коэффициентом преломления, типа частицы, пузыря, капельки, или даже как колебание плотности. Этот эффект был сначала смоделирован успешно Рэлеем Бога, имененем которого это получает его название. Для модели Рэлея, чтобы использоваться, сфера должна быть намного меньшей в диаметре чем длина рассеянной (λ) волны; как правило выбран верхний предел , равный 1/10 длины волны. В этом применении размера, точная форма центра рассеивания обычно не очень существенна и может часто рассматриваться как сфера эквивалентного объема. Врожденное рассеивание, именно излучение происходит с прохождением в среде через чистый газ и наблюдается из-за микроскопических колебаний плотности как газовое движения молекул вокруг, которые являются обычно достаточно маленькими в масштабе для применения модели Рэлея. Этот механизм рассеивания - первичная причина синего цвета неба Земли в ясный день, поскольку более короткие синие длины волны солнечного света, проходящего сверху более настоятельно рассеяны, чем более длинные красные длины волны согласно известному соотношению Рэлея 1/λ⁴. Наряду с поглощением, такое рассеивание - главная причина ослабления радиации атмосферой. Степень рассеивания изменяется как функция отношения диаметра частицы к длине волны радиации, наряду со многими другими факторами, включая поляризацию, угол и последовательность явления.

Для больших диаметров, проблема электромагнитного рассеивания сферами была сначала решена Густавом Ми  — рассеивание бо́льшими сферами, чем диапазон Рэлея и поэтому обычно это известно как рассеивание Mie. В режиме Mie, форма центра рассеивания становится намного более существенной и теория применяется хорошо только к сферам, и с некоторой модификацией сфероидами и эллипсоидами. Применяются решения для закруглённой формы для того, чтобы рассеиваться уверенно при существующих других простых форм. Однако, никакое общее решение произвольных форм ещё не известно.

И Mie и рассеивание Рэлея считаются упругими процессами рассеивания, в которых существенно не изменена энергия ( длины волны и частоты) света. Однако, электромагнитная радиация, когда она рассеянна при перемещении рассеиваюших центров, действительно подвергается изменению Doppler, которое может быть обнаружено и использоваться, чтобы измерить скорость рассеивания центрами рассеяния в формах и методов, типа ЛИДАРА и радара. Эта кореляция вносит небольшое изменение в энергетике процесса.

По ценностям отношения диаметра частицы к длине волны большего, чем приблизительно в 10 раз, выполняются по законам геометрической оптики и является достаточны, чтобы описать взаимодействие света с частицей, и в этом пункте взаимодействие обычно не описывается как рассеивание, и путь волны рассматривается, как движение частицы по прямой линии.

Для того, чтобы моделировать состояние рассеиваний в случаях, где Рэлей и модели Ми не применяются, в случае нерегулярно форменных частиц, есть много числовых методов, которые могут использоваться. Самые общие — методы конечного элемента, которые решают уравнения Максвелла, чтобы найти распределение рассеянной электромагнитной области излучения. Существуют сложные пакеты программ, которые позволяют пользователю определять коэффициенты преломления или индексы рассеявшейся особенности в конкретном месте, создавая 2-х или иногда 3-х мерную модель структуры (3D). Для относительно больших и сложных структур, эти модели обычно требуют существенно много времен работы на компьютере.

См. также

• Лёгкое рассеивание