Рассеянием света называется явление преобразования света веществом, сопровождающееся изменением распространения света и проявляющееся как несобственное свечение вещества.
Рассеяние света наблюдается в оптически неоднородных средах. Оптические неоднородности могут возникать по разным причинам. Например, твёрдые тела в газе (дым). Капли жидкости (воды) в воздухе (туман). Твёрдые тела в жидкости (суспензии). Такие оптически неоднородные среды принято называть мутными средами.
В 1869 году английский физик Джон Тиндаль (1620 – 1893) впервые экспериментально изучил этот вид рассеяния. В мутных средах, где размеры частиц не более (0,2 ¸ 0,1)l были установлены следующие закономерности.
1) Белый свет, рассеянный под углом к первоначальному пучку (в боковом направлении) обнаруживает сине-голубоватый оттенок, т.е. рассеяние происходит преимущественно в коротковолновой части спектра.
2) Свет, рассеянный под прямым углом к первоначальному пучку, полностью (если рассеивающие частицы изотропны) или почти полностью линейно поляризован.
3) 
Ij и Ip/2 – интенсивности рассеянного света соответственно под углами j и p/2. Это выражение определяет зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния, если падающий луч света является естественным (неполяризованным).
Теория этого вида рассеяния была разработана английским физиком Д.У. Рэлеем (1842 – 1919) в 1889 году. Он получил выражение для рассеяния на сферических частицах, размеры которых малы по сравнению с длиной волны света.
r – расстояние от рассеивающей частицы до точки наблюдения;
|
|
|
N1 – число частиц в 1 см3; V1 – объём одной частицы; j - угол рассеяния;
e и e' – относительные диэлектрические проницаемости частиц и среды;
l – длина волны.
Таким образом, интенсивность рассеянного света оказывается пропорциональной четвёртой степени частоты или обратно пропорциональной четвёртой степени длины волны.
Эта зависимость носит название закона Рэлея и выполняется для любой мутной среды.
Как показал опыт, рассеяние света может происходить и в свободных от чужеродных примесей прозрачных (чистых) средах. Подобное рассеяние света в однородных средах называется молекулярным рассеиванием.
Как показали исследования, этот вид рассеяния обусловлен флуктуациями плотности среды. Идея о флуктуациях плотности среды и её влияние на рассеяние света лежит в основе статистической теории рассеяния света. Так как отклонения от среднего распределения плотности могут осуществляться в малых объёмах, то именно они будут являться источниками рассеянного света.
В твёрдых телах основная причина рассеяния света связана с наличием посторонних включений (примесей, дефектов кристаллической структуры). Влияние молекулярного рассеяния не существенно.
Существует ещё один вид рассеяния света. Это комбинационное (или рамановское) рассеяние света. Оно было открыто в 1928 году советскими физиками Л.И. Мандельштамом (1879 – 1944) и Г.С. Ландсбергом (1890 – 1957) и индийским физиком Ч.В. Раманом (1888 – 1970). При молекулярном рассеянии света в среде, содержащей многоатомные молекулы, в спектре рассеянного света наблюдаются добавочные линии (сателлиты). Они сопровождают каждую из спектральных линий и их частоты отстоят от центральной частоты рассеянного излучения на величины характерные для данной молекулы. Происхождение сателлитов связано с модуляцией рассеянного света низкочастотными колебаниями атомов в молекулах, образующих рассеивающие среды. С помощью комбинационного рассеяния света изучают строение молекул.
|
|
|
Излучение Вавилова-Черенкова
В 1934 году П.А. Черенков (1904 – 1990), в последствие академик, а тогда аспирант академика С.И. Вавилова (1891 – 1951), обнаружил особый вид свечения жидкости под действием g-лучей радия. Характерные особенности этого излучения: 1) свечение имеет голубоватый цвет и наблюдается у всех чистых прозрачных жидкостей; 2) в отличие от люминесценции не наблюдается ни температурного, ни примесного тушения свечения, что характерно для люминесценции. С.И. Вавилов правильно предположил, что обнаруженное свечение не является люминесценцией, свет излучают быстрые электроны, движущиеся в жидкости. В 1937 году советские физики И.Е. Тамм (1895 – 1971) и И.М. Франк (1908 – 1990) объяснили механизм свечения и создали количественную теорию явления, основанную на уравнениях классической электродинамики. В 1940 году советский физик В.Л. Гинсбург создал квантовую теорию, которая привела к тем же результатам. В 1958 году работа Черенкова, Тамма и Франка была отмечена Нобелевской премией по физике.
|
|
|
Излучение Вавилова-Черенкова это излучение света электрически заряженной частицей, движущейся в среде с групповой скоростьюU, превышающей фазовую скорость света в этой среде.
Согласно электромагнитной теории заряженная частица, движущаяся в вакууме с постоянной скоростью, не излучает. Иначе обстоит дело при её движении в веществе. Если такая частица движется с постоянной скоростью в однородной прозрачной среде, то своим полем, она возбуждает атомы и молекулы среды, и последние становятся центрами излучения электромагнитных волн.
В процессе излучения Вавилова-Черенкова энергия и скорость излучающей свободной частицы уменьшается, т.е. частица тормозится. Однако в отличие от обычного тормозного излучения, относительно медленно движущейся заряженной частицы, являющейся следствием изменения её скорости, уменьшение скорости частицы при излучении Вавилова-Черенкова, само является следствием этого излучения. Иными словами, если бы убыль энергии восполнялась, то частица, двигаясь с постоянной скоростью (U >v), испускала бы излучение Вавилова-Черенкова, а тормозного излучения не было бы.
|
|
|
Заряженная частица вызывает кратковременную поляризацию вещества в окрестности тех точек, через которые она проходит при своём движении. Поэтому молекулы среды, лежащие на пути частицы, становятся кратковременно действующими когерентными источниками элементарных электромагнитных волн, которые интерферируют друг с другом.
При движении заряженной частицы в изотропной среде со скоростью 
элементарные волны будут представлять собой сферы, распространяющиеся со скоростью 
. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, в результате интерференции элементарные волны гасят друг друга всюду, за исключением общей огибающей. При движении частицы со скоростью U < v общей огибающей нет. Все окружности лежат одна в другой. Поэтому заряд, движущийся равномерно и прямолинейно со скоростью U < v свет не излучает.
Если частица движется быстрее, чем распространяются волны в среде, то соответствующие элементарным волнам сферы пересекаются, и их общая огибающая (волновая поверхность) представляет собой конус с вершиной в точке, совпадающей с мгновенным положением движущейся частицы. Нормали к образующим конуса определяют волновые вектора, т.е. направления распространения света. Угол q, который составляет волновой вектор с направлением движения частицы, удовлетворяет следующему соотношению.
В жидкостях и твёрдых телах условие U > v начинает выполняться для электронов при энергии W > 105 эВ, а для протонов – W > 108 эВ.
Разработаны черенковские счётчики для регистрации и исследования частиц с высокой энергией. С их помощью можно не только регистрировать эти частицы, но и определять величину и направление скорости. Эти приборы используются для определения массы элементарных частиц высоких энергий. Именно черенковские счётчики позволили открыть антипротон.
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 795; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!