Рэлеевское рассеяние света

Оно является достаточно распространенным и имеет большое практическое применение.

В теории Рэлея рассеяние света рассматривается на малых сферических частицах. При этом считается, что такая сферическая частица является источником дипольного излучения. Соответствующие расчеты приводят к выражению для интенсивности рассеянного света:

,

где J ₀ - интенсивность падающего света; l - длина волны; - относительный показатель преломления, который предполагается малым; V – объем рассеивающей частицы; q - угол рассеяния, отсчитываемый от направления распространения падающего света; a – расстояние от центра диполя до точки наблюдения.

Приведенное выражение носит название формулы Рэлея. Анализ этой формулы приводит к следующим характерным особенностям рэлеевского рассеяния.

1. Из формулы Рэлея следует, что интенсивность рассеянного средой света обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Этот результат носит название закона Рэлея и свидетельствует о том, что более короткие волны рассеиваются сильнее, чем более длинные. В этом можно убедиться из следующего опыта (рис. 5.10).

Р и с. 5.10

Если пучок интенсивного белого света направить на прямоугольную кювету, наполненную мутной жидкостью (например, вода и несколько капель молока), то след светового пучка в такой кювете хорошо виден. При наблюдении в направлении A, т.е. перпендикулярно к первичному пучку, рассеянный свет имеет бледно-голубой оттенок, т.е. он относительно более богат короткими волнами, чем свет источника S. Благодаря интенсивному рассеянию коротковолновой части, прошедший нерассеянный пучок света (в направлении В) относительно обогащен длинноволновым излучением, и свет имеет красноватый оттенок.

Подобные эффекты наблюдаются при рассеянии света в атмосфере. Тиндаль высказал мысль, что синий цвет и поляризация неба определяются рассеянием солнечного света на мелких частицах пыли, всегда имеющихся в большом количестве в земной атмосфере. Если бы рассеяния света не было, то небо было бы совершенно черным. Именно таким видят небо космонавты. При наличии же атмосферы значительная доля прямого солнечного излучения рассеивается в стороны. Она тем больше, чем короче длина волны. Поэтому рассеянный свет обогащен короткими волнами, чем и объясняется синий цвет неба.

При восходе и заходе Солнца прямой солнечный свет проходит через большую толщу атмосферы, и при этом большая часть коротковолнового излучения теряется на рассеяние. Из прямого света до поверхности Земли доходят преимущественно красные лучи. Вот почему при восходе и заходе Солнце красное.

2. Из формулы Рэлея видно, что интенсивность света зависит от угла рассеяния q. Изменение интенсивности симметрично относительно направления первичного пучка и линии, перпендикулярной к нему. Кривая, показывающая распределение интенсивности рассеянного света от угла рассеяния (индикатриса рассеяния) представлена на рис. 5.11. Она характерна для естественного света, пространственная индикатриса получается вращением кривой на рис. 5.11 вокруг оси BB'.

Р и с. 5.11 Р и с. 5.12