Рассеяние света
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. [1][2]
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.[3][4]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.[5][6]
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.[7][8]
ВведениеПравить
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 рассеиванияПравить
- 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 волныПравить
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 - БриллюэнаПравить
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 явленияПравить
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.[9]
См. такжеПравить
СсылкиПравить
- ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Light_scattering
- ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Scattering
- ↑ Kerker, M. (1909). The Scattering of Light. New York: Academic.
- ↑ Mandelstam, L.I. (1926). "Light Scattering by Inhomogeneous Media". Zh. Russ. Fiz-Khim. Ova. 58: 381.
- ↑ van de Hulst, H.C. (1981). Light scattering by small particles. New York: Dover. ISBN 0486642283
- ↑ Bohren, C.F. and Huffmann, D.R. (1983). Absorption and scattering of light by small particles. New York: Wiley-Interscience.
- ↑ Fox, M. (2002). Optical Properties of Solids. Oxford University Press, USA.
- ↑ Smith, R.G. (1972). "Optical power handling capacity of low loss optical fibers as determined by stimulated Raman and Brillouin scattering". Appl. Opt. 11: 2489. doi:10.1364/AO.11.002489.
- ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Light_scattering