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

Текст из файла (страница 2)

I_расс.  ⁴  1/⁴. (5.9)

Зависимость (5.9) называется законом Рэлея, а соответствую­щее рассеяние – «рэлеевским». Имеется два характерных типа сред, в которых наблюдается рэлеевское рассеяние. Во-первых, это так на­зываемые мутные среды: дымы (частицы твёрдого вещества в газе), туманы (мелкие капельки жидкости в газе), суспензии и взвеси (частицы твёрдого вещества в жидкости), эмульсии (капельки одной жидкости в другой). Во-вторых, неоднородность среды (жидкости или газа) может возникать из-за случайных флуктуаций плотности вещества в результате хаотического теплового движения атомов или молекул. Рассеяние в средах второго типа принято называть молекулярным. Именно молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба и красный цвет зорь. Молекулярное рассеяние в основном происходит в верхних, разреженных слоях атмосферы, где среднее расстояние между молекулами воздуха больше или порядка /2.

Примечания

1. Соотношение (5.9) очень хорошо описывает закономерности рассеяния, если размер рассеивающих частиц меньше  1/15 длины световой волны. С увеличением размеров частиц зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны становится всё более слабой. Физическая причина этого понятна – с ростом D всё более заметную роль играет деструктивная интерференция, причём, прежде всего она начинает проявляться в рассеянии коротких волн. При рассеянии света на больших частицах (D  ) интенсивность рассеянного света очень слабо зависит от длины волны. Именно поэтому облака имеют белый цвет (на фоне голубого неба, где рассеяние «рэлеевское»).

Рассеяние света на частицах, размер которых D  , теоретически рассмотрено немецким физиком Г.А. Ми, поэтому рассеяние на больших частицах иногда называют рассеянием Ми.

2. В тех случаях, когда рассеяние света играет существенную роль, интенсивность “первичного” пучка света убывает, поскольку энергия волн “уходит” в стороны. Этот эффект отличается от обычного поглощения, и его учитывают введением в соотношение (5.1) дополнительного параметра:

I(x) = I₀e ^{–(æ – æ)x}. (5.10)

Постоянная æ, описывающая снижение интенсивности пучка света из-за рассеяния, называется коэффициентом экстинкции (от латинского extinctio – гашение).

3. При рассеянии света молекулами, наряду с обычным рассея­нием без изменения частоты (такое рассеяние называют упругим), в рассеянном свете присутствуют волны, частота которых не­сколько смещена относительно частоты падающего света . Это сме­щение частоты    обусловлено модуляцией амплитуды рассеянной волны за счет колебательного движения атомов в молекуле (с частотой ). Такое рассея­ние называется «комбинационным » (“неупругим”). Несмотря на весьма небольшую интенсивность неупруго рассеянных волн (часто на много порядков меньше интенсивности рассеянных волн с частотой ), метод спектроскопии комбинационного рассеяния света^*) широко применяется в химии для изучения строения молекул и их взаимодействия с окружающей сре­дой. Существенно, что спектры комбинационного рассеяния и поглощения света в инфракрасной области (ИК-спектроскопия) взаимно дополняют друг друга, поскольку в поглощении и комбинационном рассеянии проявляются различные колебательные движения молекул.

3. Поляризация света при отражении

П усть пучок световых волн падает на плоскую гра­ницу двух прозрачных диэлектриков, показатели преломления которых n₁ и n₂ – см. рис.5.10. Обе диэлектрические среды будем считать однородными, так что рассеяние света в объёме диэлектриков отсутствует. Однако граница раздела двух сред сама по себе – неоднородность; излучение элементарных диполей второй среды, расположенных вблизи поверхности раздела обусловливает возникновение отраженной волны II. Напомним, что, в соответствии с законами геометрической оптики, отражённый луч лежит в плоскости падения (т.е. в пло­скости, содержащей падающий луч I и нормаль к границе раздела диэлектриков ОА); угол падения  равен углу отражения .

Пусть падающие световые волны плоско поляризованы, причём плоскость колебаний вектора совпадает с плоскостью падения. Такие волны вызывают ко­лебания электронов в атомах обоих диэлектриков, совпадающие по направлению с . Поэтому ориентация элементарных излучателей–диполей строго фиксирована – все они также лежат в плоскости падения и перпендикулярны соответствующим лучам – см. рис.5.11,а.

Отражённая от границы раздела диэлектриков волна II есть результат интерференции волн, испускаемых элементар­ными излучателями второй среды (вблизи её поверхности). При изменении угла падения  меняется также угол преломления  и, соответственно, ориентация возбужденных диполей второго диэлектрика относительно направления отражённого луча II. В частности, при некотором значении угла падения  = _Б (этот угол принято называть «углом Брюстера ») элементарные излучатели второго диэлектрика будут направлены точно вдоль луча II – рис.5.11,б. При этом излучение вторичных волн по направлению луча II невозможно (см. диаграмму направленности дипольного излучателя – рис.5.7). Отсюда следует, что световая волна, плоскость колебаний которой совпадает с плоскостью падения и, угол падения которой на границу раздела диэлектриков равен углу _Б, вообще не отражается этой границей (интенсивность отраженного луча равна нулю, имеется только преломленный луч III).

З начение угла Брюстера _Б легко найти, используя закон преломления:

. (5.11)

Учитывая, что _Б + _Б = /2 (рис.5.11,б), имеем sin_Б = sin(/2 – _Б) = = cos_Б и из (5.11) получаем:

. (5.12)

Если плоскость колебаний падающего луча I перпендикулярна плоскости падения (рис.5.11,в), то, независимо от величины угла падения , элементарные излучатели диэлектрика с показателем преломления n₂, перпендикулярны плоскости падения и отраженному лучу II. Следовательно, интенсивность отражённого луча II для таких волн при любых значениях  отлична от нуля.

Если на границу раздела диэлектриков падает неполяризованный свет, причём угол падения равен углу Брюстера, то в отражён­ном луче будут присутствовать только волны, плоскость колебаний которых перпендикулярна плоскости падения (т.е. отраженный луч II плоско поляризован). Соответственно, преломленный луч будет ча­стично плоско поляризован (обогащён волнами, плоскость колебаний которых совпадает с плоскостью падения). При произвольной вели­чине угла падения пучка естественного света оба пучка – отра­жённый, и преломленный – частично плоско поляризованы (в отражён­ном свете всегда больше волн, плоскость колебаний которых перпен­дикулярна плоскости падении; в преломленном свете этих волн, со­ответственно, меньше).

Примечания

1. «Окна Брюстера» в лазерах. В газо­вых лазерах активное вещество (аргон, смесь гелия и неона, дву­окись углерода – в зависимости от типа лазера) помещается в стеклянную трубку с плоскопараллельными торцевыми окнами. Трубка находится между зеркалами, так что выходящий из лазера луч света многократно ( 100 раз) проходит через окна трубки с активным в е­ществом. Если окна трубки сделать перпендикулярными к проходяще­му пучку света (см. рис.5.12,а), то при каждом прохождении окна бу­дет теряться на отражение  8% интенсивности падающего света, а после 100 прохождений исходный пучок ослабится приблизительно в 3000 раз, что совершенно недопустимо для нормального функциони­рования лазера.

Выход из этой, на первый взгляд, тупиковой ситуации состоит в использовании окон, наклонённых по отношению к пучку проходящего света на угол Брюстера (см. рис.5.12,б). В результате многократного прохождения через трубку с такими окнами волны, плоскость колебаний которых перпендикулярна плоскости падения (плоскости рисунка), практически полностью потеряются из-за отражений, тогда как волны, с векторами , лежащими в плоскости падения, пройдут через оптическую си­стему сколько угодно раз почти без потерь на отражение. В итоге интенсивность исходного пучка света уменьшится не в тысячи раз, а всего в 2 раза, что вполне приемлемо. Именно из-за такого устройства оптической сис­темы свет, выходящий из газового лазера, полностью плоско поляризован.

2. Об отражении от поверхности проводника. При отражении света от поверхности проводя­щего вещества (металла, полупроводника) из-за сильного поглощения в приповерхностном слое этого вещества состояние поляризации от­ражённого луча изменяется иначе, нежели при отражении от поверх­ности диэлектрика. В частности, ни при каком значении угла паде­ния естественного света отражённый свет не будет полностью плоско поляризован (нет угла Брюстера). Если свет, падающий на поверх­ность проводника, плоско поляризован, то отраженный свет в об­щем случае оказывается поляризованным эллиптически. Характер эллипти­ческой поляризации отраженного пучка чрезвычайно чувствителен к состоянию отражающей поверхности – присутствию на ней тонких диэлектрических плёнок или даже отдельных молекул (до десятых и со­тых долей монослоя). На изучении состояния эллиптической по­ляризации отраженного от поверхности проводников света основан экспериментальный метод, называемый «эллипсометрией », который широко используется для измерения пара­метров (толщины, показателя преломления) тонких диэлектрических (в частности, окисных) плёнок, нанесённых на поверхности металлов или полупроводников. Метод применяется также и для исследования адсорбционных процессов или химических реакций, происходящих на этих поверхностях.

*⁾ В иностранной научной литературе чаще используется термин «рамановское рассеяние».

149

Характеристики

Список файлов книги