Учебник - Оптика - Алешкевич В.А. (1238765), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Ìè. Îñíîâíîå îòëè÷èå ðàññåÿíèÿ Ìèîò ðàññåÿíèÿ â ìóòíûõ ñðåäàõ ñîñòîèò â ñóùåñòâåííîì èçìåíåíèè äèàãðàììûíàïðàâëåííîñòè ðàññåÿííîãî ñâåòà. Íà ðèñ. 22.3 ïîêàçàíà òèïè÷íàÿ äèàãðàììàíàïðàâëåííîñòè ïðè ðàññåÿíèè íà ñôåðè÷åñêèõ ÷àñòèöàõ ðàäèóñîì r0 ~ 10-1l.Ïðè óâåëè÷åíèè ðàçìåðà ÷àñòèö äèàãðàììà áóäåò èçìåíÿòüñÿ.  óãëîâîì ðàñïðåäåëåíèè Is(Jz) ïîÿâëÿþòñÿ äèôðàêöèîííûå ìàêñèìóìû è ìèíèìóìû.Íà ðèñ. 22.4 èçîáðàæåíà äèàãðàììà ïðè ðàññåÿíèè ñâåòà íà äèýëåêòðè÷åñêèõøàðèêàõ ñ n = 1,3 è r0 = l.Ïðè r0 > l äîëæíà ïîëó÷èòüñÿ äèàãðàììà, ñîîòâåòñòâóþùàÿ äèôðàêöèè ñâåòà íà êðóãëûõ íåïðîçðà÷íûõ äèñêàõ ðàäèóñîì r0. Òàêèì îáðàçîì, ñâåò â ìåëêîäèñïåðñíûõ ñðåäàõ ðàññåèâàåòñÿ ïðåèìóùåñòâåííî â íàïðàâëåíèè ñâîåãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ.Ïîëÿðèçàöèÿ ðàññåÿííîãî ñâåòà íà êðóïíûõ ÷àñòèöàõ çàâèñèò îò äëèíû âîëíû.
Ýòèì îáúÿñíÿåòñÿ âåñüìà ðàçíîîáðàçíàÿ îêðàñêà ïîâåðõíîñòè ìîðÿ.Ðèñ. 22.3264Ðèñ. 22.4Òåîðèÿ Ìè íàøëà øèðîêîå ïðèìåíåíèå ïðè àíàëèçå ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà ÷åðåç íèæíèå ñëîè àòìîñôåðû, ñîäåðæàùèå ïûëü, àíòðîïîãåííûå çàãðÿçíåíèÿ è ìåëü÷àéøèå âîäÿíûå êàïëè âî âðåìÿ òóìàíà.Ðàññåÿíèå ñâåòà â òâåðäûõ òåëàõ.  òâåðäûõ òåëàõ ïðîÿâëÿþòñÿ òå æå çàêîíîìåðíîñòè ìîëåêóëÿðíîãî ðàññåÿíèÿ, ÷òî è â ãàçàõ è æèäêîñòÿõ. Ôëóêòóàöèèïëîòíîñòè è àíèçîòðîïèè îáóñëîâëåíû ñëó÷àéíûìè êîëåáàíèÿìè àòîìîâè ìîëåêóë îêîëî ïîëîæåíèÿ ðàâíîâåñèÿ.
Èçìåíåíèÿ ïëîòíîñòè âî âðåìåíèèìåþò äâà âðåìåííûõ ìàñøòàáà. Ïåðâûé èç íèõ îáóñëîâëåí èçîáàðè÷åñêèìèòåïëîâûìè ôëóêòóàöèÿìè ïëîòíîñòè è îïðåäåëÿåòñÿ âðåìåíåì òåïëîâîé ðåëàêñàöèè tT ~ l2/cT, cT êîýôôèöèåíò òåìïåðàòóðîïðîâîäíîñòè. Øèðèíà öåíòðàëüíîé ñïåêòðàëüíîé êîìïîíåíòû â ñïåêòðå ðàññåÿíèÿ ñâåòà Dn0 ~ tT-1.Âòîðîé ìàñøòàá îïðåäåëÿåòñÿ ïåðèîäîì T = 2p/W àêóñòè÷åñêèõ âîëí (21.38),â êîòîðûõ êîëåáàíèÿ ïëîòíîñòè ïðîèñõîäÿò èçîýíòðîïè÷åñêè (áåç òåïëîîáìåíà ýëåìåíòàðíîãî îáúåìà L = l3 ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé, ïîñêîëüêó T = l2/cT).Ýòè âîëíû íàçûâàþòñÿ àêóñòè÷åñêèìè ôîíîíàìè.
 êóðñå ìîëåêóëÿðíîé ôèçèêè áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ôîíîíû ÿâëÿþòñÿ íîñèòåëÿìè âíóòðåííåé ýíåðãèè òâåðäîãî òåëà. Ðàññåÿíèå íà ôîíîíàõ è åñòü ðàññåÿíèå Ìàíäåëüøòàìà Áðèëëþýíà.Êðîìå òîãî, â òâåðäûõ òåëàõ èìåþòñÿ ìèêðîíåîäíîðîäíîñòè è ïðèìåñè. Ðàññåÿíèå íà ýòèõ íåîäíîðîäíîñòÿõ, êàê ïðàâèëî, ìàñêèðóåò ìîëåêóëÿðíîå ðàññåÿíèå íà ôëóêòóàöèÿõ ïëîòíîñòè è àíèçîòðîïèè.Êîýôôèöèåíò ìóòíîñòè as (ñì. (21.26)) çàâèñèò îò äëèíû âîëíû: as = C/l4,à êîíñòàíòà C îò îïòè÷åñêîé ÷èñòîòû ìàòåðèàëà. Åñëè ïðèíÿòü âî âíèìàíèåè êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ a, òî â òâåðäîì òåëå èíòåíñèâíîñòü óáûâàåò ïîçàêîíóI (z ) = I (0) exp[-(a s + a)z ] = I (0) exp(-a% z ),(22.10)ãäå a% = a + a s êîýôôèöèåíò ýêñòèíêöèè (îò ëàò. exstinctio ãàøåíèå). êà÷åñòâå èëëþñòðàöèè íà ðèñ. 22.5 ïîêàçàíà ýêñïåðèìåíòàëüíî èçìåðåííàÿçàâèñèìîñòü êîýôôèöèåíòà ýêñòèíêöèè îäíîìîäîâîãî êâàðöåâîãî îïòè÷åñêîãî âîëîêíà îò äëèíû âîëíû.Øòðèõîâàÿ ëèíèÿ ñîîòâåòñòâóåò îïòè÷åñêè ÷èñòîìó êâàðöó.
×èñòûé êâàðöîáëàäàåò ïîãëîùåíèåì â ÓÔ-îáëàñòè è äàëåêîé ÈÊ-îáëàñòè (l > 2 ìêì). Ïðèóâåëè÷åíèè äëèíû âîëíû îò l = 1,0 ìêì ìóòíîñòü as óáûâàåò (as ~ 1/l4),à ïîãëîùåíèå a íåâåëèêî. Ïðè l ® 2,0 ìêì as ìàëî, à ïîãëîùåíèå a óâåëè÷èâàåòñÿ. Ïîýòîìó íà äëèíå âîëíû l = 1,55 ìêì ïîòåðè â êâàðöå ìèíèìàëüíû.Ðåàëüíûé êâàðö îáëàäàåò íà äëèíåâîëíû l = 1,37 ìêì ìàêñèìóìîì (ïèêîì) ïîòåðü, îáóñëîâëåííûì ëèíèåéïîãëîùåíèÿ ãèäðîêñèëüíûõ ãðóïï OH,ÿâëÿþùèõñÿ âðåäíûìè ïðèìåñÿìè. Îñíîâíàÿ ëèíèÿ ïîãëîùåíèÿ OH ñîîòâåòñòâóåò l0 = 2,73 ìêì.
Íàïîìíèì, ÷òî1 äÁ/êì = 4,34 êì-1 (ñì. ëåêöèþ 17).Íà ðèñ. 22.1 öâ. âêë. ïîêàçàíà ôîòîãðàôèÿ âîëîêîííîãî ñâåòîâîäà, ïî êîòîðîìó ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ñâåò. Åñëè áûíå áûëî ðàññåÿíèÿ ñâåòà, òî ñâåòîâîäÐèñ. 22.5íå êàçàëñÿ áû îñâåùåííûì.265Ôîòîííûå êðèñòàëëû. Êîíöåïöèÿ ôîòîííîãî êðèñòàëëà âîçíèêëà èç àíàëîãèè ñâîéñòâ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí â ñðåäàõ ñ ïåðèîäè÷åñêè èçìåíÿþùèìñÿïî òðåì íàïðàâëåíèÿì ïîêàçàòåëåì ïðåëîìëåíèÿ è ýëåêòðîíîâ â êðèñòàëëàõ,îáëàäàþùèõ ïåðèîäè÷íîñòüþ ñòðóêòóðû.Ïîâåäåíèå ýëåêòðîíîâ çàâèñèò îò îòíîøåíèÿ äëèíû âîëíû äå Áðîéëÿ l = h/p(h ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà; p èìïóëüñ ýëåêòðîíà) è ïåðèîäà d êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè.  ñâîáîäíîì ïðîñòðàíñòâå ýëåêòðîí, äâèãàÿñü ñî ñêîðîñòüþ u,èìååò èìïóëüñ p = mu è êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþW =p 2 h 2k 2=,2m2m(22.11)ãäå k = 2p/l âîëíîâîå ÷èñëî; h = h/2p; m ìàññà ýëåêòðîíà.Çàâèñèìîñòü W(k) íàçûâàåòñÿ äèñïåðñèîííîé êðèâîé.
Ó ñâîáîäíîãî ýëåêòðîíàýòà êðèâàÿ ÿâëÿåòñÿ ïàðàáîëîé. êðèñòàëëå ýëåêòðîí äâèæåòñÿ â ïåðèîäè÷åñêîì ýëåêòðîñòàòè÷åñêîì ïîëå,ñîçäàâàåìîì çàðÿæåííûìè èîíàìè, íàõîäÿùèìèñÿ â óçëàõ ðåøåòêè. Ïîâåäåíèå ýëåêòðîíîâ ìîæåò áûòü îïèñàíî ñ ïîìîùüþ çàêîíîâ êâàíòîâîé ìåõàíèêè.Îäèí èç ãëàâíûõ ðåçóëüòàòîâ ïðè òàêîì îïèñàíèè ñîñòîèò â òîì, ÷òî äèñïåðñèîííàÿ êðèâàÿ ïðåòåðïåâàåò ðàçðûâû ïðè k = ±np/d (n = 1, 2, 3, ¾) (ðèñ.
22.6).Ýòè ðàçðûâû îïðåäåëÿþò çàïðåùåííûå çîíû îáëàñòè çíà÷åíèé ýíåðãèè,êîòîðûå ýëåêòðîí èìåòü íå ìîæåò.Èíòåðâàë DW, ñîîòâåòñòâóþùèé îäíîé îáëàñòè, íàçûâàåòñÿ øèðèíîé çàïðåùåííîé çîíû. Íà ðèñóíêå ïîêàçàíû ëèøü äâå çîíû. Øòðèõîâîé ëèíèåé èçîáðàæåíà äèñïåðñèîííàÿ êðèâàÿ ñâîáîäíîãî ýëåêòðîíà.Ïåðåíîñÿ àíàëîãèþ íà ñâåòîâóþ âîëíó, íàðèñóåì äèñïåðñèîííóþ êðèâóþäëÿ ýíåðãèè ôîòîíà W = hw êàê ôóíêöèè âîëíîâîãî ÷èñëà k.
 ñâîáîäíîì ïðîñòðàíñòâå k = w/c, W = hck è äèñïåðñèîííàÿ êðèâàÿ ÿâëÿåòñÿ ïðÿìîé ëèíèåé. îäíîðîäíîé äèñïåðãèðóþùåé ñðåäå k = n(w)w/c è äèñïåðñèîííàÿ êðèâàÿïîñòåïåííî îòêëîíÿåòñÿ îò ïðÿìîé â îáëàñòè ÷àñòîò, â êîòîðîé íà÷èíàåò âîçðàñòàòü ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ. Åñëè ôîòîíû ëåòÿò ïåðïåíäèêóëÿðíî ñëîèñòîé ñðåäå ñ ÷åðåäóþùèìñÿ çíà÷åíèåì ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ, à òîëùèíàêàæäîãî ñëîÿ ðàâíà d, òî äèñïåðñèîííàÿ êðèâàÿ áóäåò ïðåòåðïåâàòü ðàçðûâû.Íà ðèñ. 22.7 ïîêàçàí ëèøü îäèí ðàçðûâ.
Øòðèõîâîé ëèíèåé îòìå÷åíà äèñïåðñèîííàÿ êðèâàÿ äëÿ ñâîáîäíîãî ôîòîíà.Ðèñ. 22.6266Ðèñ. 22.7Íàëè÷èå çàïðåùåííîé çîíû îçíà÷àåò, ÷òî âîëíû ñ ÷àñòîòîé w1 < w < w2 âòàêîé ñëîèñòîé ñðåäå ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ íå ìîãóò. Ýòîò ðåçóëüòàò íå ÿâëÿåòñÿíåîæèäàííûì.  ëåêöèè 17 áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ìíîãîñëîéíîå ïîêðûòèå õîðîøî îòðàæàåò ñâåò, íå ïðîïóñêàÿ åãî âíóòðü ñðåäû.Èíòåðâàë ÷àñòîò Dw = w2 - w1 íàçûâàåòñÿ îáëàñòüþ îòðàæåíèÿ. Ìåæäó ñîñåäíèìè îáëàñòÿìè îòðàæåíèÿ íàõîäÿòñÿ îáëàñòè ïðîïóñêàíèÿ, èëè ïîëîñûïðîïóñêàíèÿ.
 ïîëîñå ïðîïóñêàíèÿ ýíåðãåòè÷åñêèé êîýôôèöèåíò ïðîïóñêàíèÿ T(w) çàâèñèò îò ÷àñòîòû: îí èìååò ðÿä ìàêñèìóìîâ, ÷èñëî êîòîðûõ ðàâíî÷èñëó ïåðèîäîâ (ñëîåâ) ñðåäû. Ýòè ìàêñèìóìû ñîîòâåòñòâóþò ìèíèìóìàì äëÿêîýôôèöèåíòà îòðàæåíèÿ R = 1 - T è ïîêàçàíû íà ðèñ. 17.9.Åñëè òåïåðü èìååòñÿ òðåõìåðíàÿ ñòðóêòóðà ñ ïåðèîäè÷åñêèì èçìåíåíèåìïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ïî òðåì íàïðàâëåíèÿì, òî îíà íàçûâàåòñÿ ôîòîííûìêðèñòàëëîì. Îí òàêæå èìååò çàïðåùåííûå çîíû è ñîîòâåòñòâåííî ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ.Íàïðèìåð, ðàññ÷èòàíû ïîëîñû îòðàæåíèÿ è ïðîïóñêàíèÿ ñòðóêòóð, ñîñòîÿùèõ èç óïàêîâàííûõ äèýëåêòðè÷åñêèõ ñôåð.
Ïðè îäèíàêîâîé ãåîìåòðèè â îòíîñèòåëüíîì ðàñïîëîæåíèè øàðèêîâ íàèáîëüøàÿ øèðèíà ïîëîñû îòðàæåíèÿäîñòèãàåòñÿ, åñëè îòíîøåíèå îáúåìà øàðèêîâ ê îáúåìó âñåé ñòðóêòóðû èìååòîïòèìàëüíîå çíà÷åíèå f = 0,2 0,3.  ýòîì ñëó÷àå ïðîèñõîäèò ñèëüíîå êîãåðåíòíîå ðàññåÿíèå îò íåïîäâèæíûõ äèýëåêòðè÷åñêèõ ñôåð. Îòíîñèòåëüíàÿ øèðèíàDw/w ïîëîñû îòðàæåíèÿ çàâèñèò êàê îò îòíîøåíèÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿøàðîâ n1 ê ïîêàçàòåëþ ïðåëîìëåíèÿ n2 ñðåäû ìåæäó íèìè, òàê è îò êîýôôèöèåíòà f, õàðàêòåðèçóþùåãî îáúåìíóþ äîëþ çàïîëíåíèÿ. Ïðè n1 = 3,6, n2 = 1,0ïîëîñà îòðàæåíèÿ (çàïðåùåííàÿ çîíà) âîçíèêàåò ïðè f = 0,2. Ïðè óâåëè÷åíèè fñíà÷àëà Dw/w óâåëè÷èâàåòñÿ è äîñòèãàåò ìàêñèìóìà Dw/w = 0,15 ïðè f = 0,35.Çàòåì Dw/w ® 0, è çàïðåùåííàÿ çîíà èñ÷åçàåò ïðè f = 0,7.Ïåðèîäè÷åñêèå ñòðóêòóðû íåðåäêî âñòðå÷àþòñÿ â æèâîé è íåæèâîé ïðèðîäå.
Ñëîèñòûìè (îäíîìåðíûìè) ÿâëÿþòñÿ ïîêðûòèÿ êðûëüåâ áàáî÷åê, ïåðüåâïàâëèíà è ò.ï. Äâóõìåðíàÿ ñòðóêòóðà ïðèñóòñòâóåò ó íàòóðàëüíûõ æåì÷óæèí.Ïîëóäðàãîöåííûé ìèíåðàë îïàë ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé òðåõìåðíûé êîëëîèäíûéêðèñòàëë, ïåðèîäè÷íîñòü êîòîðîãî îáóñëîâëåíà âõîäÿùèìè â åãî ñîñòàâ ñôåðè÷åñêèìè ãëîáóëàìè îêñèäà êðåìíèÿ. îòðàæåííîì ñâåòå ïåðèîäè÷åñêèå ñòðóêòóðû ÿðêî îêðàøåíû, ïðè ýòîì èõöâåò çàâèñèò êàê îò óãëîâ ïàäåíèÿ ñâåòà, òàê è óãëà íàáëþäåíèÿ. Íà ðèñ.
22.2öâ. âêë. ïðåäñòàâëåíà ôîòîãðàôèÿ áàáî÷êè, èìåþùåé ïîä îïðåäåëåííûì óãëîìçðåíèÿ ñèíþþ îêðàñêó. ïîñëåäíåå âðåìÿ ïðîèçâîäñòâî òàêèõ ñòðóêòóð îñóùåñòâëÿþò â èñêóññòâåííûõ óñëîâèÿõ. Íàðÿäó ñ íàïûëåíèåì ìíîãîñëîéíûõ ïëåíîê, ïðèìåíÿþùèìñÿïðè èçãîòîâëåíèè çåðêàë, èñïîëüçóþò ìîëåêóëÿðíî-ëó÷åâóþ ýïèòàêñèþ îñàæäåíèå âåùåñòâà èç ãàçîâîé ôàçû íà ïîâåðõíîñòü ïîäëîæêè.
Ïðèìåíÿþò òàêæåè õèìè÷åñêîå òðàâëåíèå ïîâåðõíîñòè âåùåñòâà, ñîçäàâàÿ òàêèì îáðàçîì îäíîìåðíûå è äâóõìåðíûå ïåðèîäè÷åñêèå ñòðóêòóðû. Òåõíîëîãèè òðàâëåíèÿ õîðîøî îòðàáîòàíû äëÿ àëþìèíèÿ è êðåìíèÿ â ñâÿçè ñ èõ øèðîêèì ïðèìåíåíèåìâ ìèêðîýëåêòðîíèêå. Ïåðèîä ñòðóêòóð äîñòèãàåò ìàëûõ âåëè÷èí d » 300 íì.Íàèáîëåå ñëîæíû â èçãîòîâëåíèè òðåõìåðíûå ñòðóêòóðû.  íàñòîÿùåå âðåìÿïðèìåíÿþòñÿ äâà ìåòîäà èõ ïðîèçâîäñòâà. Ïåðâûé ìåòîä çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì: âçâåñü äèýëåêòðè÷åñêèõ ÷àñòèö îñàæäàåòñÿ â ðàñòâîðå íà äíî êþâåòû. ðåçóëüòàòå îáðàçóåòñÿ ìíîãîñëîéíûé êîëëîèäíûé êðèñòàëë, êîòîðûé ìîæíî267èññëåäîâàòü íåïîñðåäñòâåííî â ðàñòâîðå.Ñëîæíóþ ñòðóêòóðó ìîæíî ïîäâåðãíóòü òåðìîîáðàáîòêå, ïðè êîòîðîé ñïåêøèåñÿ ÷àñòèöû îáðàçóþò ôîòîííûé êðèñòàëë, êîòîðûé íàçûâàåòñÿ èñêóññòâåííûì îïàëîì. Äëÿóâåëè÷åíèÿ Dw/w ïðîñòðàíñòâî ìåæäó ÷àñòèöàìè ñ ïîêàçàòåëåì ïðåëîìëåíèÿ n1 çàïîëíÿþò âåùåñòâîì ñ áëüøèì ïîêàçàòåëåìïðåëîìëåíèÿ n2. Ôîòîãðàôèÿ óâåëè÷åííîãîèçîáðàæåíèÿ èñêóñcòâåííîãî îïàëà ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ.
22.8.Âî âòîðîì ìåòîäå íàíîñÿò äâóõìåðíûåäèýëåêòðè÷åñêèå ñëîè, ïî-ðàçíîìó îðèåíÐèñ. 22.8òèðîâàííûå, ïîäîáíî òîìó êàê «êðåñò-íàêðåñò» óêëàäûâàåòñÿ ñòîïêà ïîëåíüåâ.Îïèñàííûå âûøå ñòðóêòóðû íàçûâàþò íàíîñòðóêòóðàìè. Êâàíòîâûå îïòè÷åñêèå ïðîöåññû â íàíîñòðóêòóðàõ èìåþò ðÿä îñîáåííîñòåé, ïîçâîëÿþùèõ ðàçäåëèòü ïðîöåññû íà äâå ãðóïïû.Ê ïåðâîé ãðóïïå îòíîñÿò ýôôåêòû, ñâÿçàííûå ñ ïðîñòðàíñòâåííûì îãðàíè÷åíèåì äâèæåíèÿ ýëåêòðîíîâ.
Äëÿ ýòîãî ïåðèîä íàíîñòðóêòóð äîëæåí áûòüñîèçìåðèì ñ äëèíîé âîëíû äå Áðîéëÿ: d ~ 1 10 íì.  ýòîì ñëó÷àå ïîÿâëÿþòñÿêâàíòîâûå ðàçìåðíûå ýôôåêòû. Îíè õàðàêòåðèçóþòñÿ èçìåíåíèåì äèïîëüíîãîìîìåíòà d21 êâàíòîâîãî ïåðåõîäà ýëåêòðîíà ìåæäó äâóìÿ ýíåðãåòè÷åñêèìè óðîâíÿìè.  ðåçóëüòàòå èçìåíÿåòñÿ ýíåðãåòè÷åñêèé ñïåêòð ýëåêòðîíîâ.Äðóãàÿ ãðóïïà îáúåäèíÿåò ïðîöåññû, ñâÿçàííûå ñ èçìåíåíèåì ïëîòíîñòèôîòîííûõ ñîñòîÿíèé (ñì. (6.18))dn 8pn 2= 3 .(22.12)dncÝòà ïëîòíîñòü âõîäèò â ôîðìóëó Ïëàíêà (6.21) è îïðåäåëÿåò ñïåêòð èçëó÷åíèÿ ÷åðíîãî òåëà.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
