Рассеивание на малых частицах. Закон Рэлея



МОСКОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(МИРЭА)

 

Утверждаю:

Зав. кафедрой ОЭП и С

________ В.В. Кузнецов

 

Лабораторная работа № 26

ИССЛЕДОВАНИЕ РАССЕЯНИЯ СВЕТА

МУТНЫМИ СРЕДАМИ

 

Методическое пособие

(временное)

по курсам

«Оптические материалы и технологии»,

«Материалы квантовой и оптической электроники»

 

 

для бакалавров, магистров и специалистов, обучающихся

 по направлению«Оптотехника»

 

Москва 2016

 

Методические указания по проведению лабораторных работ предназначены для обучения магистров, бакалавров и специалистов по направлению 200400 «Оптотехника».

 

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

 

Настоящие методические указания содержат описания лабораторной работы, выполняемой студентами при изучении курсов «Оптические материалы и технологии», «Материалы квантовой и оптической электроники».

Лабораторная работа дает возможность закрепить знания, полученные при изучении дисциплины.

При подготовке к лабораторной работе студентам необходимо проработать предлагаемые методические указания, рекомендуемую литературу.

В процессе выполнения работ студент знакомиться с физическими принципами, измерительной аппаратурой, а также методикой измерений и обработкой полученных результатов.

В процессе выполнения лабораторной работы, полученные данные, расчеты, графики вносятся в рабочую тетрадь.

По каждой лабораторной работе составляется отчет.

Отчет должен содержать название работы, цель работы, схему установки и краткое описание лабораторной работы, а также таблицы результатов измерений, графики, фотографии, расчеты.

На основании полученных результатов должны быть сделаны выводы.

 

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

 

Организация безопасной работы при выполнении лабораторных работ на кафедре производится в соответствии с требованиями ЕОСТ 12.1.019-79 «Электробезопасность. Общие требования», ГОСТ 12.1.030-81 «Электробезопасность. Защитное заземление, зануление», ГОСТ 12.1.040-83. «Лазерная безопасность».

К работе на лабораторных установках допускаются студенты, имеющие теоретическую подготовку по дисциплине «Лазерная техника», обученные безопасным методам работы, прошедшие инструктаж по технике безопасности и расписавшиеся в журнале инструктажа.

Перед проведением лабораторной работы необходимо убедиться в надежности заземления оборудования, приборов и установок, проверить надежность крепления установки, убедиться в отсутствии посторонних предметов в рабочей зоне.

Студентам запрещается выполнять лабораторные работы в отсутствие преподавателя или лаборанта. Включение оборудования производится только с разрешения преподавателя или лаборанта.

При обнаружении неисправности необходимо немедленно прекратить работу, сообщить об этом преподавателю и отключить оборудование с помощью кнопки отключения, которая находится на силовом щитке.

Запрещается оставлять без надзора приборы и оборудование во включенном состоянии.

После окончания лабораторной работы приборы и оборудование необходимо выключить.

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Исследование рассеяния света мутными средами

 

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

 

2.1. Рассеяние света мутными средами

Рассеянием света называют явление, при котором распространяющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозможным направлениям. Необходимое условие для возникновения рассеяния света – наличие оптических неоднородностей, то есть областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.

Различают два основных вида таких неоднородностей:

1) наличие в однородном прозрачном веществе мелких инородных частиц. Такие среды являются мутными: дым (твердые частицы в газе), туман (капельки жидкости в газе), взвеси, эмульсии, твердые тела вроде перламутра, опалов, молочных стекол и так далее. Рассеяние света в мутных средах называют явлением Тиндаля;

2) оптические неоднородности, возникающие в чистом веществе из-за статического отклонения молекул от равномерного распределения(флуктуации плотности). Это впервые установил Л. И. Мандельштам и М. Смолуховский. Рассеяние света на неоднородностях этого типа называют молекулярным, например, рассеяние света в атмосфере.

Уменьшение интенсивности света вследствие рассеяния, как и при поглощении, описывают при помощи показательной функции:

 

 

где k- показатель рассеяния света веществом.

При совместном поглощении и рассеянии света в веществе ослабление интенсивности также является показательной функцией:

 

 

где m- показатель ослабления, m=c+k.

Английский физик Релей в конце 19 века установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднородностях, приблизительно меньших 0,2l, а также при молекулярном рассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны (закон Релея):

 

Эффект Тиндаля

Тиндаля эффект - свечение оптически неоднородной среды вследствие рассеяния проходящего через нее света. Обусловлен дифракцией света на отдельных частицах или элементах структурной неоднородности среды, размер которых намного меньше длины волны рассеиваемого света. Характерен для коллоидных систем (например, гидрозолей, табачного дыма) с низкой концентрацией частиц дисперсной фазы, имеющих показатель преломления, отличный от показателя преломления дисперсионной среды. Обычно наблюдается в виде светлого конуса на темном фоне (конус Тиндаля) при пропускании сфокусированного светового пучка сбоку через стеклянную кювету с плоскопараллельными стенками, заполненную коллоидным раствором. Коротковолновая составляющая белого (немонохроматического) света рассеивается коллоидными частицами сильнее длинноволновой, поэтому образованный им конус Тиндаля в непоглощающем золе имеет голубой оттенок.

Эффект Тиндаля был открыт в результате исследования ученым взаимодействия световых лучей с различными средами. Он выяснил, что при прохождении лучей света через среду, содержащую взвесь мельчайших твердых частиц — например, пыльный или задымленный воздух, коллоидные растворы, мутное стекло — эффект рассеяния уменьшается по мере изменения спектральной окраски луча от фиолетово-синей к желто-красной части спектра. Если же пропустить через мутную среду белый, например, солнечный, свет, который содержит полный цветовой спектр, то свет в синей части спектра частично рассеется, в то время как интенсивность зелено-желто красной части света останется практически прежней. Поэтому, если смотреть на рассеянный свет после прохождения им замутненной среды в стороне от источника света, он покажется нам синее, чем исходный свет. Если же смотреть на источник света вдоль линии рассеяния, то есть через замутненную среду, источник покажется нам краснее, чем он есть на самом деле. Именно поэтому дымка от лесных пожаров, например, кажется нам голубовато-фиолетовой.

Эффект Тиндаля возникает при рассеянии на взвешенных частицах, размеры которых превышают размеры атомов в десятки раз. При укрупнении частиц взвеси до размеров порядка 1/20 длины световых волн (примерно от 25 нм и выше), рассеяние становится полихромным, то есть свет начинает рассеиваться равномерно во всём видимом диапазоне цветов от фиолетового до красного. В результате эффект Тиндаля пропадает. Вот почему густой туман или кучевые облака кажутся нам белыми — они состоят из плотной взвеси водяной пыли с диаметром частиц от микронов до миллиметров, что значительно выше порога рассеяния по Тиндалю.

Можно подумать, что небо кажется нам сине-голубым благодаря эффекту Тиндаля, но это не так. В отсутствие облачности или задымления небо окрашивается в сине-голубой цвет благодаря рассеянию «дневного света» на молекулах воздуха. Такой тип рассеяния называется рассеянием Рэлея (в честь сэра Рэлея; см. Критерий Рэлея). При рассеянии Рэлея синий и голубой свет рассеивается даже сильнее, чем при эффекте Тиндаля: например, синий свет с длиной волны 400 нм рассеивается в чистом воздухе в девять раз сильнее красного света с длиной волны 700 нм. Вот почему небо кажется нам синим — солнечный свет рассеивается во всем спектральном диапазоне, но в синей части спектра почти на порядок сильнее, чем в красной. Еще сильнее рассеиваются ультрафиолетовые лучи, обусловливающие солнечный загар. Именно поэтому загар распределяется по телу достаточно равномерно, охватывая даже те участки кожи, на которые не попадают прямые солнечные лучи.

Закон Бугера

При прохождении света через вещество интенсивность убывает, т. е. происходит поглощение света. Причина поглощения света - переход части энергии световой волны в тепловую энергию. Атомы вещества, внутри которых происходят вызванные световой волной колебания электронов, участвуют в хаотическом тепловом движении и сталкиваются друг с другом. При каждом столкновении энергия колебательного движения электронов переходит в энергию теплового движения атомов - происходит поглощение света.

Как показывает опыт, интенсивность света при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону:

Это выражение представляет собой закон Бугера.

 Рис. 1

Здесь  - интенсивность света на входе в поглощающий слой вещества толщиной x; е = 2,7 - основание натуральных логарифмов;  - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны (частоты) света.

Величина , в соответствии с законом Бугера, не должна зависеть от интенсивности света. Это утверждение справедливо для очень широкого диапазона изменения интенсивности (примерно в раз), однако С.И. Вавилов экспериментально показал, что при больших интенсивностях для специально выбранных веществ коэффициент поглощения уменьшается с ростом интенсивности. Происходит это потому, что для своих опытов Вавилов выбирал вещества, у которых молекулы могут сравнительно долго (значительно больше, чем с) находиться в возбужденном состоянии, в котором они не могут поглощать энергию от световой волны. В этом случае закон Бугера нарушается.

Рассмотрим зависимость коэффициента поглощения от частоты.

Для веществ, у которых атомы не взаимодействуют друг с другом, таких, как газы, пары металлов при невысоком давлении, коэффициент поглощения для большинства частот (длин волн) близок к нулю. Резкие максимумы обнаруживаются для очень узких областей частот вблизи резонансных частот колебаний электронов в атомах. Качественно вид зависимости  для этого случая изображен на рисунке 2.

 

Рис. 2

Из рисунка 2 видно, что поглощение света для газообразных веществ носит избирательный характер. При увеличении взаимодействия между атомами, по мере повышения давления газов, максимумы поглощения уширяются. В твердых телах и жидкостях, где взаимодействие между атомами велико, наблюдаются широкие полосы поглощения. Качественный вид зависимости для этого случая дает рисунок 3.

Рис. 3

У прозрачных тел полосы поглощения приходятся на невидимые глазом области спектра (инфракрасная или ультрафиолетовая). У окрашенных тел полосы поглощения находятся в соответственных участках видимой области спектра. Например, «красным» является стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и хорошо поглощающее синие, зеленые и фиолетовые.

Для металлов коэффициент поглощения имеет порядок . Это означает, что на расстоянии 10-8 м свет ослабляется в e = 2,73... раз, т. е. металлы практически непрозрачны для света. Объясняется это наличием в металлах свободных электронов, которые под действием электрического поля световой волны начинают совершать колебательное движение. Если электрическое сопротивление металла мало, то электроны почти полностью переизлучают полученную от световой волны энергию (у серебра отражение достигает 99%). В металлах с худшей проводимостью доля отраженной энергии меньше, значительная часть энергии световой волны при этом переходит в джоулево тепло (у железа отражается 30 - 40% энергии падающей световой волны). При увеличении частоты света ситуация изменяется: тонкие слои металлов, совершенно непрозрачные для видимого света, становятся прозрачными для ультрафиолета.

Рассеяние света

Рассеянием света называется перераспределение энергии световой волны по направлениям.

В оптически однородной среде результат интерференции всех вторичных волн с первичной падающей на вещество волной отличен от нуля только для одного направления - направления распространения световой волны в среде. Таким образом, в оптически однородной среде рассеяние света происходить не может. Необходимым условием рассеяния света является наличие оптической неоднородности среды.

Эта неоднородность может быть вызвана наличием в рассеивающей среде мельчайших частичек другой среды, например, взвесь в газах мельчайших частичек жидкостей (туманы) или твердых частиц (дым) и т. д. Такие среды с явно выраженной оптической неоднородностью называют мутными средами. В результате рассеяния солнечный луч, проходящий через дым, туман или просто пыльный воздух, виден сбоку.

Характер рассеяния зависит от соотношения между размером неоднородностей а и длиной волны света .

Рис. 4

Для больших частиц  наблюдается геометрическое рассеяние. В этом случае весь свет, падающий на поверхность крупной частицы, рассеивается в стороны (рис. 4). Подавляющая часть света рассеивается «вперед» в направлении падающего луча. Если , то наблюдается дифракция. Интенсивность рассеянного света в этом случае пропорциональна квадрату частоты или обратно пропорциональна квадрату длины волны света:

 

 

Так как интенсивность рассеянного света уменьшается с увеличением длины волны, то инфракрасные лучи рассеиваются гораздо слабее видимых и ультрафиолетовых и хорошо проходят сквозь туман. Поэтому ими можно пользоваться для видения в тумане и темноте.

Рассеивание на малых частицах. Закон Рэлея

Если размер рассеивающих частиц , то вынужденные колебания всех электронов одной такой частички, возбуждаемые световой волной, происходят в одной фазе, т. е. рассеяние будет когерентным. Такую частичку можно рассматривать как один колеблющийся диполь. Интенсивность излучения диполя, колеблющегося по гармоническому закону, пропорциональна четвертой степени частоты или обратно пропорциональна четвертой степени длины волны:

Такая зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны для рассеяния на частицах с размерами  впервые была получена Рэлеем и носит название закона Рэлея.

Даже при рассеянии естественного света рассеянное малыми частицами излучение поляризовано. Если наблюдение вести в направлении, перпендикулярном первичному пучку, то будет наблюдаться полная линейная поляризация рассеянного света. Это обусловлено видом диаграммы направленности излучения диполя и иллюстрируется рисунками 5а и 5б.

Рис. 5а

На рисунке 5а двойной стрелкой изображены колебания электрического момента, направленные перпендикулярно направлению наблюдения, которое, в свою очередь, перпендикулярно первоначальному лучу света.

Диаграмма направленности излучения диполя в направлении наблюдения имеет максимум. Диполь с электрическим моментом излучает в этом направлении линейно поляризованную световую волну, вектор E которой изображен на рисунке 5а.

На рисунке 5б двойная стрелка изображает колебания диполя с электрическим моментом p, которые происходят в направлении наблюдения. Диаграмма направленности излучения диполя своим нулевым минимумом направлена к наблюдателю, диполь в направлении наблюдения не излучает.

 

Рис .5б

Если наблюдение рассеянного света ведется в произвольном направлении, не перпендикулярном первоначальному лучу света, то поляризация рассеянного света будет частичной.

Поляризация рассеянного света неба была использована, например, для создания поляризационного компаса, который может быть использован в дневное время и при незначительной облачности. Снег, облака уменьшают степень поляризации и рассеянного света.

Это обстоятельство можно использовать для прогнозирования погоды. Загрязненность атмосферы также можно определять по степени поляризации рассеянного света.

Молекулярное рассеяние

Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба. Непрерывно возникающие в атмосфере, вследствие беспорядочного движения молекул, места сгущения и разрежения воздуха рассеивают солнечный свет. При этом, согласно закону Релея, голубые и синие лучи рассеиваются сильнее, чем желтые и красные, обусловливая голубой цвет неба. Когда Солнце находится низко над горизонтом, распространяющиеся непосредственно от него лучи проходят большую толщину рассеивающей среды, в результате чего они оказываются обогащенными большими длинами волн. По этой причине небо на заре (закате) окрашивается в красные тона. Меньшее рассеяние красных лучей используют в сигнализации (опознавательные огни). Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и другое приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях, форме частиц и так далее. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы - нефелометрами.

 


Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 833; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!