Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 128

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 128)

След светового пучка будет ясно А виден в воде. При наблюдении сбоку Рис. 29.2. Схема наблюдения рассеяния (в направлении А, рис. 29.2) света а мутных средах рассеянный свет имеет более голубой оттенок, чем свет источника 5; наоборот, свет, прошедший сквозь кювету (в направлении В), обогащен длинноволновым излучением и при достаточной толщине кюветы имеет красноватый оттенок. При наблюдении рассеянного света под прямым углом (9 = 90') к первичному пучку через поляризатор Х обнаруживается. что рассеянный свет линейно поляризован. хотя первоначальный свет, идущий от 'э', естественный.

Направление электрического вектора в рассеянном свете перпендикулярно к плоскости, проходящей через направление первичного пучка и направление наблюдения. Если оценить интенсивность света, рассеянного по разным направлениям, то она окажется симметричной относительно оси первичного пучка и относительно линии, к ней перпендикулярной (рис. 29.3). Кривая, графически показывающая распределение интенсивности рассеянного света по разным направлениям, носит название иидикатрись~ рассеяния. При естественном падающем свете индикатриса рассеяния имеет вид, показанный на рис. 29.3, и выражается формулой 1 1+сов О. Гл.

хх1х, РАссеяние светА 529 Пространственная индикатриса получается вращением криво1л относительно оси ВВ. Рэлей произвел расчет интенсивности света, рассеянного на сферических частицах, размеры которых малы по срарнению с длиной волны падающего света (1899 г.), и нашел, что для первоначального естественного света интенсивность рассеянного света равна ~с+во / Здесь 1'у' — число частиц в рассеивающем объеме, Ъ"' и е — объем и диэлектрическая проницаемость частицы, ев диэлектрическая проницаемость среды, в которой взвешены частицы, о1 - угол рассеяния, 1п — интенсивность падающего света, А — расстояние от рассеивающего объема до точки наблюдения.

Формула Рэлея (159.3) описывает перечисленные закономерности. Интенсивность рассеянного света оказывается обратно пропорциональной четвертой степени длины волны, что находится в соответствии с измерениями и может объяснить голубой цвет неба. Закон Х вЂ” 1/Л~ носит название закона Рэлея. Однако, как будет показано ниже, голу- А бой цвет неба не связан с наличием пыли в атмосфере.

Из формулы (159.3) следует так- В О В же, что интенсивность рассеянного света Первичный пропорциональна квадрату объема рас- пучок сеивающей частицы или шестой степени радиуса сферической частицы. Формула Рэлея содержит множитель (я — еп) /(я + яо), который может служить мерой оптической неоднородности. Если е = еш то оптическая неоднород- сеяния частицами, малыми ность исчезает и вместе с нелл исчезает и рассеянный свет (1 = О). Такая мера оптической неоднородности относится не обязательно к малым частицам„но может служить для характеристики оптической неоднородности и в других случаях.

Выше уже приводился пример, когда кусок стекла, погруженный в жидкость с подходящим показателем преломления, практически переставал быть видимым. Обсужденные закономерности рассеяния света перестают быть справедливыми, если размеры рассеивающих частиц становятся сравнимыми с длино1л волны, что нередко наблюдается в коллоидных растворах. Зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны для таких более крупных частиц становится менее заметной, т.е.

рассеянньпл свет оказывается менее голубоватым, чем в случае мелких частиц. Рассеянный свет оказывается поляризованным лишь частично, причем степень поляризации зависит от размеров и формы частиц. Распределение интенсивности рассеянного света по углам приобретает также более сложный характер: диаграмма рассеяния несимметрична по отношению к линии ЛА (см. рис. 29.3) и в зависимости от МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОптИКА размера, формы и природы частиц и окружающей среды может принимать очень сложный вид, сохраняя симметрию лишь относительно направления первичного пучка.

Эти более сложные закономерности очень затрудняют теоретическое истолкование рассеяния в мутных средах с крупными частицами. Тем не менее такие случаи представляют значительный интерес, ибо они обычно имеют место при исследовании коллоидных растворов и мутных сред, являющихся продуктами многих химических реакций. Поэтому подобные измерения находят применение в коллоидной химии, аналитической химии и биологии, составляя предмет нефелометрических методов исследования. Казалось, что голубой цвет неба можно объяснить явлением рассеяния света на пылинках, однако опыты показали, что это не так, ибо и в чистой атмосфере, лишенной пыли (высокогорные обсерватории), наблюдается еще более насыщенная голубизна неба и поляризация его света.

Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования показали, что все эти эффекты объясняются молскрляриь~м рассеянием света в воздухе. ~ 160. Молекулярное рассеяние света Особенный интерес представляют те случаи, когда мы не можем говорить о мутной среде в упомянутом выше смысле слова, т.е.

когда среда представляет собой жидкость (или газ), тщательно освобожденную от посторонних примесей или загрязнений. В таких средах наблюдается рассеяние света и, следовательно, существует физическая причина, ведущая к возникновению оптической неоднородности (Л.И. Мандельштам, 1907 г.). Физическая причина, вызывающая появление оптической неоднородности в идеально чистых средах, была найдена не сразу. а. Критическая опалесценция.

Дляодногочастного, но важного случая причина, ведущая к нарушению однородности, была указана М. Смолуховским (1908 г.). Давно было известно, что при критической температуре газа или жидкости наблюдается интенсивное рассеяние света (так называемая критическая опалесценция). Смолуховский обратил внимание на то, что при критической температуре сжимаемость среды очень велика в критической точке тео- /дЪ' 1 ретически ~ — ) стремится к бесконечности . В этих условиях легд17 т ко могут возникнуть в небольших объемах заметные отступления от средней плотности, ибо большая сжимаемость означает, что тепловое движение достаточно для образования заметных вариаций плотности в малых объемах (флркшуации плотност,и).

Связанное с этим нарушение оптической однородности и обусловливает сильное рассеяние света. '1аким образом, Смолуховский объяснил явление критической опалесценции, дав тем самым указание, где надо искать причину нарушения однородности среды, приводящего к рассеянию света вообще.

Другой легко осуществимый случай молекулярного рассеяния света наблюдается при исследовании некоторых растворов. В растворах 1 Л. ХХ1Х. РАССЕЯЕ1ИЕ СВЕТА 531 мы имеем дело со смесью двух (или более) сортов молекул, которые характеризуются своими значениями поляризуемости а. В обычных условиях распределение одного вещества в другом происходит настолько равномерно, что и растворы представляют собой среду, в оптическом отношении пе менее одпородну1о, чем обычные жидкости. Мы можем сказать, что концентрация растворенного вещества во всем обьеме одинакова и отступления от среднего (флукп1рации коицеитрации) крайне малы.

Однако известны многочисленные комбинации веществ, которые при обычной температуре лишь частично растворяются друг в друге, но при повышении температуры становятся способными смешиваться друг с другом в любых соотношениях. Температура, выше которой наблюдается такое смешивание, называется критической тпемпературо6 смешепия.

При этой температуре две жидкости полностью смешиваются, если их весовые соотношения подобраны вполне определенным образом. Так, например, сероуглерод и метиловый спирт при 40'С дают вполне однородную смесь, если взято 20 частей по весу сероуглерода и 80 частей метилового спирта.

При более низкой температуре растворение происходит лишь частично, и мы имеем две ясно различимые жидкости: раствор серо- углерода в спирте и раствор спирта в сероуглероде. При температурах выше 40'С можно получить однородную смесь при любом весовом соотношении компонент. С интересующей нас точки зрения критическая температура смешения характеризует такое состояние смеси, при котором особешю легко осуществляется местное отступление от равномерного распределения.

Следовательно, при критической температуре сме1пения следует ожидать значительных флуктуаций концентрации и связанных с ними нарушений оптической однородности. Действительно, в таких смесях при критической температуре смешения имеет место очень интенсивное рассеяние света, легко наблюдаемое на опыте. б. Рассеяние света на поверхности жидкости. Явления, аналогичные объемному рассеянию, могут наблюдаться на поверхности жидкости. Спокойная поверхность жидкости представляет собой зеркало, и свет, падающий на нее, испытывает правильное отражение по определенному направлению. Но если поверхность жидкости стала п1ероховатой, например вследствие сотрясений, то большая или меньшая часть света испытает диффузное рассеяние в стороны.

Характеристики

Список файлов книги