Каковы основные признаки рассеяния света. Рассеяние света вследствие отражения и преломления. Цвета влажных предметов

Рассеяние света

Рассеянием света называется процесс преобразования света веществом, сопровождающийся изменением пространственного распределения, частоты, поляризации оптического излучения и проявляющийся как несобственное свечение вещества. Если частота рассеянного света совпадает с частотой падающего света, то рассеяние называется упругим. В случае различия частот говорят о неупругом рассеянии.

Частицы вещества в процессе вынужденных колебаний электронов, возбуждаемых падающим излучением, становятся источником вторичного рассеянного излучения. Это следует из того, что электрон, движущийся с ускорением, излучает электромагнитную волну (см. § 42). Вторичные волны, переизлучаемые частицами среды, интерферируют, при этом результат интерференции существенно зависит от соотношения длины волны и размеров частиц. Анализ показывает, что если среда идеально однородная, то вторичные волны в результате интерференции гасят друг друга по всем направлениям, кроме первоначального, т. е. в идеально однородной среде излучение не рассеивается. Таким образом, рассеяние может возникать только в оптически неоднородной среде, показатель преломления которой нерегулярно изменяется от точки к точке. Примерами таких сред могут служить так называемые мутные среды – аэрозоли (дым, туман), эмульсии, матовые стекла и т. п., содержащие мелкие частицы, показатель преломления которых отличается от показателя преломления окружающей среды.

Если в неоднородной среде расстояние между неоднородностями много больше длины волны излучения, то эти неоднородности ведут себя как независимые вторичные источники излучения. Излучаемые ими вторичные волны являются некогерентными и при наложении не интерферируют. Поэтому такая среда рассеивает свет по всем направлениям.

Рассеяние света в мутных средах с размерами неоднородностей, не превышающими 0,2 мкм, называется явлением Тиндаля. Его можно наблюдать, например, при прохождении яркого пучка света через слой воздуха, содержащий мелкие частицы дыма, или через сосуд с водой, в которую добавлено немного молока, содержащего мелкие капельки жира. При освещении мутной среды белым светом рассеянный свет при наблюдении сбоку имеет голубоватый оттенок. Наоборот, в свете, прошедшем через достаточно толстый слой мутной среды, начинает преобладать длинноволновое излучение, так что в проходящем свете среда кажется красноватой. Эта закономерность была объяснена в теории рассеяния света на мелких сферических частицах, разработанной Д. Рэлеем в 1899 г. Он показал, что интенсивность света, рассеянного такой частицей, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны:

По мере увеличения размеров неоднородностей закон Рэлея все более нарушается.

Рассеяние света наблюдается также в чистых средах, не содержащих каких-либо примесей (например, в газах и жидкостях). Оно называется молекулярным рассеянием и обусловлено, как впервые предположил М. Смолуховский, флуктуациями плотности вещества, возникающими в процессе хаотического теплового движения молекул. В 1910 г. А. Эйнштейн разработал теорию молекулярного рассеяния света, которая привела к тем же результатам, что и теория Рэлея. Молекулярным рассеянием в земной атмосфере солнечного света объясняется голубой цвет неба. По тем же причинам при восходе и закате солнечный свет, прошедший сквозь значительную толщу атмосферы, приобретает красно-оранжевый цвет.

Мы любуемся голубым цветом неба, румяной зарей и пылающим всеми цветами спектра закатом. А чем объяснить эти явления? Почему днем над нами купол неба иссиня-голубой в зените и белесый над горизонтом? Приходит вечер, и цвет неба на западе становится красным, а в зените и на востоке - темно или серо-фиолетовым. Солнце зашло, но еще долго сияет небо, постепенно наступает мрак, приходит ночь. Почему голубое небо «вспыхивает» пламенем разноцветной зари? Почему облака белые, тучи черные, а туман серый?

Посмотрите на столб нежного дыма, поднимающегося из трубы дома, особенно ранним утром, когда нет ветра и солнце стоит низко.Часть его видна на фоне темного леса или построек города, она прозрачно-голубая. Верхняя же его часть, пронизанная лучами восходящего солнца, кажется нежно-розовой. Почему это так?

Из заводской трубы поднимаются черные клубы дыма. А вот дым, идущий из трубы паровоза, белый. Почему?

Почему раковины и жемчуг сияют белым переливчатым светом опалесценции?

Опалесценция - явление рассеяния света мутной средой (например, раковиной, жемчугом).

Наконец, почему стоп-сигналы делают красного цвета? Все эти явления имеют общее происхождение, все они связаны с рассеянием и поглощением света.

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

Возьмите кусочки цветного стекла и посмотрите сквозь них на белый свет. Вы еще раз убедитесь, что это стекло поглощает одни лучи и пропускает другие. Например, сквозь зеленое стекло проходит зеленый свет, остальные участки спектра оно поглощает. Красное стекло пропускает красный свет, а зеленый и другие цвета поглощает. Если эти стекла сложить вместе, то они почти не пропускают свет, так как весь спектр оказывается поглощенным тем или другим стеклом.

Поглощение света - это еще один из видов взаимодействия света с веществом, через которое проходят световые волны.

В 1729 г. Бугер установил, что интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается в геометрической прогрессии.

Математически эту зависимость (закон Бугера) можно выразить формулой

где I 0 - интенсивность света в начале пути (при х = 0), а I - интенсивность света в конце пути х в веществе, е - основание натуральных логарифмов, а - показатель (или коэффициент) поглощения, величина которого очень сильно зависит от рода вещества, а для данного вещества может зависеть и от длины волны света. Так, черные и непрозрачные для света среды, т. е. сильно поглощающие свет, обладают большим показателем поглощения. В этих средах интенсивность света падает до нуля в слое, толщина которого не превышает нескольких сотых или даже тысячных долей миллиметра. Есть вещества, для которых a мало (а→ 0) независимо от длины волны. Это прозрачные вещества, такие, как стекло, вода, воздух и т. п. Для безвоздушного пространства а = 0. Для газов а ≈ 0. Поэтому мы имеем возможность видеть звезды, отстоящие от нас на миллионы световых лет. Существуют вещества, обладающие избирательным поглощением. Характер этой зависимости самый разнообразный и зависит от рода вещества. Одни вещества поглощают широкие полосы спектра, другие - узкие полоски, соответствующие узкому диапазону волн. Зависимость а от λ может быть выражена графически. На рисунке 52 для примера приведены кривые зависимости показателя поглощения а от длины волны для мутной среды (а) и для паров натрия (б).

С. И. Вавилов установил, что показатель поглощения а практически не зависит от интенсивности света.

Закон Бугера применим к жидким растворам и газам. Для растворов показатель поглощения пропорционален концентрации раствора (с1): ос = Ас. Здесь А - коэффициент, зависящий от рода раствора, а также от длины волны. Это очень полезная для практики особенность, так как, сравнивая интенсивности света, прошедшего одинаковую толщину растворов разной концентрации одного и того же вещества, можно установить концентрацию (с) вещества в этих растворах.

В том случае, когда раствор имеет окраску, по интенсивности его окраски можно измерить концентрацию раствора. Зтот метод получил название колориметрического (от слова coler - цвет).

Заготовьте несколько пластинок зеленого стекла достаточно густой окраски и попробуйте рассматривать сквозь них раскаленную нить лампы накаливания, накладывая одну пластинку на другую. При малой толщине стекла нить будет казаться зеленой, при достаточной толщине стекла она покажется красной.

Этот опыт наглядно демонстрирует зависимость показателя поглощения света от длины волны. Для зеленых лучей он больше, для красных - меньше.

На рисунке это показано наглядно. Интенсивность лучей пропорциональна числу стрелок. После прохождения каждого стекла число зеленых стрелок уменьшается в три раза, а красных - в два раза. Поэтому, несмотря на преобладание зеленых лучей вначале, после прохождения четырех стекол будут преобладать красные лучи.

РАССЕЯНИЕ СВЕТА

Проделайте несложный опыт. Возьмите стеклянную ванну А (рис. 53). Заполните ее чистой водой. Сквозь прорезь В в картонной ширме С пропустите яркий пучок света BD от сильной лампы S.

Если вода достаточно чистая, то световой луч в ней почти невидим, а на противоположной стороне ванны в точке D видно яркое световое пятно. Налейте в воду немного молока или несколько капель одеколона. Вода станет мутной, и пучок света BD в ней резко обозначится, причем вся жидкость в ванне станет излучать рассеянный свет по всем направлениям (это особенно хорошо видно, если смотреть на ванну из точки Е в направлении, перпендикулярном направлению распространения луча). Обратите внимание на цвет и интенсивность луча, прошедшего сквозь мутную жидкость (в точке D). Он стал красноватым и более тусклым. Рассеянный же свет имеет голубоватую окраску. Что произошло? Очевидно, что часть света рассеялась мутной жидкостью, причем больше всего рассеялись голубые и синие лучи, меньше - красные. Они лучше проходят сквозь мутную среду. Проделайте тот же опыт с двумя изменениями.

В воду доливайте не молоко, а меловую суспензию (взвесь мела в воде). Обратите внимание на то, как будет вести себя луч света в точке D. Как изменится его окраска? Какого цвета рассеянный свет? Вы, видимо, догадались, что частицы мела, рассеивающие свет, имеют большие размеры, чем частицы молока. В этом случае интенсивность рассеянного света будет меньше зависеть от длины волны - все волны рассеиваются почти одинаково.

Теперь проследите, как будут изменяться интенсивность и окраска проходящего и рассеянного света, если в сосуд долить туши или черной краски. Частицы черной краски тоже рассеивают свет. Но почему же сейчас интенсивность рассеянного света стала меньше? Что происходит со светом, рассеянным частицами туши, находящимися внутри жидкости?

Постепенно доливайте тушь в сосуд А. Вскоре светлое пятно в точке D исчезнет, и, если убрать экран С, светлая ранее стенка D на фоне более яркого света покажется совсем темной.

Частицы туши не только рассеивают свет, они его поглощают. Свет, рассеянный одними частицами, поглощается другими и не выходит наружу.

В чем же причины рассеяния?

Рассеянием света называют отклонение световых лучей во все стороны от первоначального направления. Оно возникает в тех случаях, когда среда, в которой распространяется свет, является оптически неоднородной. Неоднородности могут возникнуть по разным причинам: и вследствие внесения в прозрачную среду частиц прозрачного же вещества, но обладающего другим показателем преломления; и вследствие внесения непрозрачных частиц, отражающих и поглощающих свет (пыль, муть и т. п.); и вследствие образования в прозрачной жидкои или газообразной среде пузырьков пара. Неоднородности могут возникнуть и внутри твердого прозрачного вещества при его отвердевании или кристаллизации, а также внутри однородной жидкой или газообразной среды вследствие хаотического движения ее молекул - флуктуации плотности (рис. 54).

Теория рассеяния света начала создаваться в прошлом столетии. Первые попытки качественного объяснения этого явления принадлежат английскому физику Тиндалю. Он экспериментально установил, что интенсивность рассеянного света, т. е. энергия света, рассеянного в единицу времени с единицы объема мутной среды, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны и зависит от рода рассеивающего вещества.

В дальнейшем Д. Релей в 1881 г. показал, что рассеяние света зависит от размера частиц. Малые частицы, размеры которых не превышают 0,1 длины волны, рассеивают свет примерно одинаково по всем направлениям, и интенсивность его обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, как на это указал Тиндаль. По мере увеличения размеров рассеивающих частиц интенсивность рассеяния все меньше начинает зависеть от длины волны: она становится обратно пропорциональной третьей ее степени, а затем и второй степени длины волны. При этом все большее количество света начинает устремляться вперед и меньшее - назад (рис. 55).

Рассеяние света вследствие отражения и преломления

Если в прозрачную среду ввести частицы, обладающие отличным от нее показателем преломления, то на границе между средой и частицей произойдет отражение или преломление света. Естественно, что вследствие этого изменяется направление его распространения и возникает рассеяние. Если частица непрозрачна, то свет поглощается ею, а энергия света идет на ее нагревание. Впрочем, и прозрачные частицы нагреваются, так как и они частично поглощают свет, а всякая среда не вполне прозрачна. Такая среда является неоднородной и физически, и оптически.

Если же показатель преломления внесенных частиц равен показателю среды, то при переходе света из среды в частицу и обратно преломление и отражение не происходят. Такая среда, являясь неоднородной физически, окажется однородной оптически и рассеяния света производить не будет.

Теперь уже можно ответить на вопрос о том, почему Солнце в тумане, дыму и пыли кажется нам красным.

Красные лучи лучше проникают сквозь завесу из мелких частиц. По этой причине сигналы бедствия, стоп-сигналы, ограничители путей, посадочных дорожек для самолетов делают в виде фонарей с красным светом.

Прозрачный столб дыма на темном фоне, дым от сигареты, утренний туман над рекой кажутся нам голубыми при боковом освещении. В этом случае мы видим не прямой свет, идущий от источника света, а свет, рассеянный мелкими частицами; чем меньше эти частицы, тем более голубым кажется нам взвесь, производящая рассеяние. Дым от папиросы - собрание очень маленьких частиц угля. Но если он побудет во рту, на частицах дыма осядут кацельки воды, частицы вырастут, их рассеивающая способность перестанет зависеть от длины волны, они начнут рассеивать все длины волн - белый свет.

По той же причине клубы пара, идущего из трубы паровоза, туман, облака кажутся нам белыми. Они состоят из довольно больших капелек, которые при малом поглощении рассеивают почти все длины волн. Столб дыма, сквозь который проходят к нам лучи солнца, кажется в верхней, освещенной части розовым, так как голубые лучи рассеиваются. Наоборот, в нижней, не освещенной солнцем, находящейся в тени части столба мы видим рассеянные голубые лучи.

Если в прозрачную среду попадут непрозрачные частицы, то они наряду с рассеянием поглощают значительную часть энергии света, интенсивность рассеянного света уменьшается.

Свет, отраженный частицами, находящимися внутри объема мутного вещества, попадая на частицы, или в значительной мере, или полностью поглощается ими. Поэтому среда, заполненная непрозрачными частицами, даже будучи освещенной, кажется нам темной или черной.

Примером может служить дым, представляющий взвесь недогоревших частичек угля, капелек мазута или других недогоревших жидкостей, испарившихся из топлива под влиянием высокой температуры горения. Черными нам кажутся также массивные, толстые дождевые тучи. Большие массы воды, содержащиеся в них, не только рассеивают свет, но и в значительной степени его поглощают.

Черными кажутся густые облака пыли, например черные бури в Средней Азии и Сибири. Их грозный, зловеще-черный вид даже в солнечный день наводит ужас на все живое.

Тот, кто побывал зимой у берегов Западной Африки, никогда не забудет огромного красного диска Солнца. Причина его необыкновенной окраски в том, что воздух насыщен тонкой красной пылью, поднятой ветром с пустыни Сахары и выносимой пассатами далеко в Атлантический океан.

Молекулярное рассеяние

Молекулы веществ имеют размеры 2 10 -8 - 6 х 10 -8 см у что составляет примерно 0,001 длины волны света (λ = 550 нм = 5,5 10 -5 см). Эти мельчайшие образования не должны были бы рассеивать свет. Однако опыт показывает, что жидкости, газы и твердые тела рассеивают свет. Чем это вызвано?

Ответ на этот вопрос был предложен в 1908 г. польским ученым Марианом Смолуховским. Он высказал мысль о том, что рассеяние происходит не на молекулах, а на флуктуациях молекул.

Флуктуациями называют отклонения от равномерного распределения в пространстве и времени частиц, их кинетической энергии (а вследствие этого скорости и температуры) и давления, вызванные хаотическим движением молекул. На рисунке 54 показаны такие скопления и разрежения частиц газа (они обведены кружками).

М. Смолуховский разработал способ измерения флуктуаций газов, а А. Эйнштейн в 1910 г. построил математическую теорию флуктуаций, выводы которой хорошо совпадают с результатами опытов Смолуховского.

ГОЛУБОЙ ЦВЕТ НЕБА

Голубой «прозрачный» цвет - источник радости, символ счастья и спутник хорошей погоды! Сколько художников пытались передать голубизну и прозрачность небесной лазури!.. Но как непостоянен цвет неба! Ранним утром или после дождя он «покрывает» все небо. Он становится блеклым или почти белым над горизонтом особенно во время сухой погоды и переходит во все цвета радуги на закате или при восходе Солнца.

Такой серебристый над Азовским морем, он становится синим и фиолетовым при подъеме на высокие горы. Нашим героическим космонавтам небо казалось черным. Среди дня они видели на нем Солнце и звезды.

В чем причина такого разнообразия цвета неба, такой его изменчивости?

Причина не в свете, излучаемом самой атмосферой, ибо в этом случае атмосфера должна была бы светиться ночью, и не в источнике синего света где-то за атмосферой, потому что ночью и днем при подъеме на большие высоты мы видим великолепие черного фона, перед которым располагается атмосфера, а вечером-огненные цвета зари. Причина должна лежать в самой атмосфере.

По-видимому, здесь происходит явление, аналогичное тому, которое мы наблюдаем при прохождении света через очень разреженный дым.

Работы М. Смолуховского и расчеты А. Эйнштейна позволили объяснить голубой цвет неба и цвета зари как следствие рассеяния света на флуктуациях плотности воздуха.

Флуктуации воздуха рассеивают много фиолетового света (к которому глаз мало чувствителен), много синего и голубого (к которому он более чувствителен), немного зеленого и желтого. Сочетание этих цветов и дает небесно-голубой.

Летом после долгой засухи и ветров, поднимающих много пыли, небо кажется белесым, но после сильного ливня, поглощающего "эту пыль и как бы промывающего воздух, оно опять становится голубым и прозрачным. Всякий раз, когда в воздухе появляются перистые облака, представляющие собой скопление ледяных кристалликов, небо становится белым. Бледно-белый цвет неба обусловлен рассеянием света на относительно больших частицах пыли и ледяных кристалликах, которые одинаково рассеивают все световые волны.

Солнечный свет такой, каким мы его воспринимаем,- это свет, частично поглощенный и рассеянный атмосферой. До нас доходят лучи Солнца с преобладанием длинных волн. Поэтому оно кажется нам желтоватым, а вечером и утром, когда лучи проходят через значительную толщу атмосферы и рассеяние возрастает,- красным.

СВЕТ И ЦВЕТ В ГОРНЫХ РАЙОНАХ

Горные пейзажи всегда вызывают восхищение чистотой красок. Причиной является прозрачность воздуха. Кроме того, на большой высоте плотность воздуха меньше и вследствие этого его рассеивающая способность значительно ослаблена. Все цвета выступают в полной яркости, создавая при этом впечатление близости. Отсюда понятны те ошибки, которые делают в оценке расстояния в горах неопытные жители равнин и городов. Сами того не сознавая, они склонны хорошую видимость, вызванную малым рассеянием света, объяснять близостью рассматриваемого пейзажа.

Рассматривая долины с большой высоты, мы видим их как бы покрытыми голубоватой вуалью. Такую же вуаль мы видим, наблюдая Землю с высоко летящего самолета.

Это тот же голубой цвет воздуха, который мы обычно видим снизу и который нам кажется голубым небосводом. Теперь мы его рассматриваем сверху. Это солнечный свет, рассеянный флуктуациями воздуха.

Наблюдая Землю с самолета, мы также без привычки делаем ошибки в оценке как расстояний до Земли, так и расстояний на Земле.

Особенно интересно посмотреть фотографии и рисунки Земли и ее атмосферы, сделанные космонавтами. Но на всех этих фотографиях Земля видна сквозь густую дымку. Один из снимков, сделанных Г. С. Титовым, представлен на рисунке. На нем видны очертания атмосферы и распределения цветов в ней на заре - при восходе солнца.

Красивый переливчатый цвет опалесценции, наблюдаемый у жемчуга раковин, перламутра, объясняется также рассеянием света на мельчайших неоднородностях в прозрачной среде вещества.

Наиболее значительные флуктуации плотности в газах возникают в критическом состоянии при критической температуре. При этом наблюдается столь интенсивное рассеяние света, называемое критической опалесценцией, что даже сравнительно тонкий слой вещества полностью рассеивает весь падающий на него свет.

СУМЕРКИ

Плавному переходу от ночи к дню и от дня к ночи мы обязаны рассеянию света в атмосфере Земли. Около полутора часов длятся сумерки, украшенные в ясные дни каскадами света на востоке и западе - утренними и вечерними зорями.

Каким тяжелым был бы переход от ночи к дню и обратно, если бы не было атмосферы. Он был бы мгновенным: абсолютная чернота заменила бы яркое сияние абсолютно белого дня, сияние - черноту. Отсутствие полутени сделало бы границы предметов и цвета исключительно резкими. Такими видели мир Луны посетившие ее космонавты.

Сумерки привлекают не только художников и поэтов, они вызывают большой интерес у ученых, которые используют сумеречные явления для изучения верхних слоев атмосферы.

Правильное объяснение сумеречных явлений на основе идеи о рассеянии света воздухом (см. рисунок) дал еще в 1863 г. Бецольд. У него же мы находим красивое описание вечерней зари и сумерек:

«При приближении Солнца к горизонту (5°; 20 мин до заката) нижняя часть западного неба принимает беловатый оттенок, который затем переходит в золотисто-желтый, а у самого горизонта - в красный. Над Солнцем небо кажется как бы прозрачным. В момент захода Солнца (0°) свет делается интенсивнее и переходит в оранжевый, а прозрачное место увеличивается в горизонтальных размерах. Одновременно с этим на большой высоте появляется розовое, или, правильнее, пурпуровое, пятно, которое чрезвычайно быстро увеличивается и обыкновенно имеет форму круга, который при постоянно увеличивающемся радиусе кажется спускающимся позади желтой части западного неба. Через некоторое время пурпуровая окраска делается весьма интенсивной. Это первый пурпуровый свет. Наибольшей интенсивности он достигает при отрицательной высоте Солнца -4°. Лучи этого света окрашивают стены зданий в розовый цвет. Во время наибольшей интенсивности пурпуровый свет имеет наиболее правильную форму, весьма близкую к кругу, центр которого находится немного выше желтого пятна, имеющего в это время вид немного удлиненного в горизонтальном направлении сегмента. После этого центр пурпурового круга опускается и круг превращается в узкую полосу, ограничивающую сверху желтый сегмент и называемую первой дугой западной зари. Желтый сегмент называется первым светлым сегментом. Постепенно он темнеет, а первая дуга все суживается и, наконец, исчезает у самого горизонта. В это время дневной свет быстро ослабевает и наступает конец гражданских сумерек. Вслед затем заканчивается первая половина астрономических сумерек. Одновременно с западной зарей наблюдается и восточная. При приближении Солнца к горизонту на западе, на востоке небо грязно-желтого, а затем лазурно-пурпурного оттенка. Как только Солнце заходит за горизонт, на востоке показывается пепельно-синий сегмент. Это тень Земли. Сегмент носит название первого темного сегмента. Он все более и более распространяется вверх, а мутно-пурпурный цвет над ним превращается в постепенно суживающийся пояс. Это первая дуга восточной зари. Наконец (-2°; 8-10 мин после заката) эта дуга исчезает и тогда темного сегмента уже больше не видно, так как он сливается с остальной частью неба. Некоторые наблюдатели, впрочем, утверждают, что за ним можно проследить до самого зенита и даже дальше. Еще до наступления второй половины астрономических сумерек в западной части неба можно наблюдать подготовление этих явлений. Небо начинает окрашиваться в желтый цвет, над ним снова появляется сияние зари, а затем и пурпуровый свет. После наступления второй половины сумерек (-4, -5°; 20-25 мин после заката) интенсивность этих явлений быстро увеличивается, хотя и не достигает, вообще говоря, тех размеров, какие имели эти явления в первую половину.

Таким образом, развивается второе сияние зари, второй светлый сегмент, второй пурпуровый свет (7°; 30 мин после заката). Нередко второго пурпурного света вообще не бывает, но иногда он гораздо ярче первого. Максимума интенсивности он достигает обычно при отрицательной высоте Солнца (около-9°; 40 мин после заката). Наконец исчезает и второй пурпуровый свет, а исчезновение желтого сегмента характеризует конец астрономических сумерек (-17°; 70 мин после заката). Иногда в области пурпурового света бывают видны расходящиеся от Солнца темно-синие и темно-зеленые полосы. Это теневые полосы зари, отбрасываемые облаками, находящимися непосредственно под горизонтом. Случается видеть и самые облака вместе с отбрасываемыми ими тенями».

КАК МОЖНО ОБЪЯСНИТЬ НАБЛЮДАЕМЫЕ ЯВЛЕНИЯ?

Человек впервые увидел свою Землю извне только в 1961 г. Но идея использования зари для измерения толщины атмосферы и изучения процессов, происходящих в ее верхних слоях, возникла гораздо раньше.

В XI в. арабский врач Ибн-эль-Хайсаы (известный в в Европе под именем Альгазен), основываясь на этой идее, нашел, что глубина воздушного океана равна 5200 шагам. Это совсем неплохо, если учесть, что, по современным данным, выше этого уровня помещается не больше одной тысячной массы воздуха.

В 1863 г. Бецольд предложил правильное объяснение сумеречных явлений, как результата рассеяния света атмосферой.

Вскоре появилась «математическая» теория зари. В. Г. Фесенков в 1915 г. предложил использовать ее для изучения строения верхних слоев атмосферы на основании наблюдений зари. Ниже мы приводим основные идеи этой теории.

Земной шар вращается так, что точки поверхности перемещаются с запада на восток, и поворачивается за сутки на 360°. Один час соответствует повороту на 15°; на один градус Земля поворачивается за 4 мин. Солнечные лучи, падающие на Землю, можно считать параллельными. Выходя из-за горизонта, они погружаются в атмосферу, проходят вдоль земной поверхности и затем уходят ввысь. При этом они проходят через различную толщу атмосферы различной плотности. Воздушная оболочка Земли имеет толщину, превышающую 1000 км. Верхние слои ее разрежены и рассеивают свет очень слабо. Рассеяние света происходит главным образом в нижних слоях толщиной около 20 км, при этом самые нижние слои атмосферы практически непрозрачны для скользящих по поверхности лучей. Это можно видеть, наблюдая тень Земли на Луне во время лунных затмений. Края тени всегда размыты.

На рисунке, вверху изображены различные положения точки наблюдения А на земной поверхности, начиная со времени за 1 ч до восхода Солнца (A" B) и до 1 ч после заката (А" З). Точки А" в и А" з соответствуют моменту восхода и заката. Наблюдатели, находящиеся в точках А" в и А" з, не видят Солнца: оно за горизонтом. Здесь сумерки. Только отблески зари напоминают о том, что есть места, где сияет дневное светило.

Как видно из рисунка, пути, проходимые световыми лучами в атмосфере на заре (точки А" в и A" з), больше, чем в полдень (А 2).

Днем, когда Солнце находится вблизи зенита, его лучи пронизывают слой атмосферы толщиной Н ≈ 20 км, на заре, когда они скользят по поверхности Земли, х = 512 км, т. е. в 25 раз больше.

Естественно, что свет, идущий ближе к Земле, рассеивается атмосферой больше, причем в первую очередь рассеиваются лучи коротковолновой части спектра. Длинные волны проникают в атмосферу глубже. Область их рассеяния начинается с некоторой точки К и захватывает все большие и большие толщины атмосферы по мере дальнейшего проникновения в нее. Слои атмосферы толщиной 3-5 км, где рассеян только красный свет, отделены от полной тени земного шара некоторой границей, называемой эффективной границей тени для красных лучей.

В верхних, разреженных слоях атмосферы толщиной 15-17 км рассеивается только коротковолновая чаоть спектра - фиолетовые, синие и голубые лучи» Красные пронизывают ее, почти не рассеиваясь. Поверхность, отделяющую область рассеяния синих лучей от остальных, называют эффективной границей тени для синих лучей.

Между областью рассеяния красных и синих лучей лежат области преимущественного рассеяния оранжевого, желтого, зеленого света.

Представим себе спутник Земли, движущийся на некоторой, не очень большой высоте навстречу солнечному свету. Вначале он находится в области полной тени Земли. Его обитатели видят черное небо, а на нем яркие звезды и Луну.

Практически спутник окажется освещенным красным рассеянным светом только тогда, когда он пройдет из полной тени через эффективную границу земной тени для красных лучей и войдет в область их рассеяния. В это время космонавты увидят на горизонте красный диск восходящего дневного светила, полосу зари со всеми цветами спектра, плавно переходящими от одного к другому, а выше черное небо. Постепенно к красному свету прибавится оранжевый, желтый и т. д. до синего, и наконец спутник окажется в лучах белого дневного света Солнца, ярко сияющего на черном небе.

Подобную картину на горизонте видит наблюдатель, находящийся на поверхности Земли, только для него переходы от одного цвета к другому, ввиду большего рассеяния света плотными, нижними слоями атмосферы и более медленного перемещения окажутся более плавными.

Иную картину наблюдатель увидит в зените (А" з 3)-Нижняя часть столба воздуха над головой погружена в тень и не рассеивает свет; верхняя - освещена всеми лучами спектра и рассеивает свет так же, как дневное небо. Промежуточная же часть столба освещена лишь красными лучами и рассеивает только их. Поэтому цвет сумеречного неба краснее дневного.

В каком-либо другом направлении (А" 3 М) цвет неба зависит от интенсивности рассеянного цвета в этом направлении.

По мере того как Солнце опускается к горизонту во время заката, явления следуют друг за другом в обратном порядке: сначала видны все цвета спектра, но каждый из них на различной высоте, как это соответствует разрезу цветного слоя на рисунке. При опускании Солнца под горизонт поверхность неба, освещенная красными лучами, так же, как и перед восходом, увеличивается, небо краснеет. Если за горизонтом находятся тучи, то эффективная граница тени для красных лучей поднимается (облака их загораживают) и небо синеет. Сами же облака, располагаясь ниже эффективной границы тени для синих лучей, освещены только красными лучами, поэтому они так ярко пылают на заре пурпурным светом.

Еще один вопрос может интересовать наблюдателей оптических явлений природы: есть ли различие между зарей рассвета и зарей заката?

Если оно есть, то очень незначительное.

Утром воздух гораздо чище, чем вечером, особенно в густонаселенных местах. Роса, утренний туман содействуют очищению воздуха. Поэтому цвета утренней зари более нежны и прозрачны. Утром больше голубого и розового цвета.

Важно также и то, что глаз, хорошо отдохнувший за ночь, более чувствителен и лучше воспринимает детали цветовых переходов. Кроме того, освещенность постепенно возрастает и это также содействует лучшему видению.

СУМЕРЕЧНЫЕ ЛУЧИ

Если за горизонтом или на горизонте во время восхода или заката солнца имеются облака, то можно часто наблюдать красивые солнечные лучи, выходящие огромным веером из-за горизонта. Они выходят из воображаемой точки за горизонтом, где находится Солнце. Это явление обусловлено контрастом между светом Солнца, рассеянным воздухом и тенью, бросаемой облаками, находящимися за горизонтом на расстоянии от 19 до 700 км от наблюдателя, а поэтому невидимыми.

Подобные лучи можно видеть днем, когда Солнце находится за краем темного облака, а в воздухе имеется достаточно частиц, рассеивающих свет.

ИЗМЕНЕНИЯ ОСВЕЩЕННОСТИ ВО ВРЕМЯ СУМЕРЕК

Глаз - это прибор, который очень хорошо приспосабливается как к большой освещенности, так и к малой. Поэтому мы видим довольно хорошо и в сумерки, хотя освещенность уменьшается по сравнению с дневной приблизительно в миллион раз.
Чтобы составить представление о зависимости освещенности от глубины погружения Солнца под горизонтом, можно воспользоваться следующей таблицей.

Несколько изменив известную поговорку, можно сказать: «В сумерках все кошки серы». В сумерки цвета перестают быть различимыми, все предметы становятся серыми, в связи с тем что меняется характер зрения наблюдателя. Зрение переключается с менее чувствительного цветоразличающего органа колбочек на более чувствительный, но не различающий цветов орган - палочки. Люди, у которых поражены палочки, а также птицы и некоторые животные после заката Солнца плохо видят. Этот недостаток зрения называют «куриной слепотой».

УТРЕННЯЯ И ВЕЧЕРНЯЯ ЗОРИ КАК ПРИМЕТЫ ПОГОДЫ

С давних времен люди пользовались наблюдением зари для предсказания погоды.

Многие народы, особенно живущие на равнинах, берегах морей, сопоставляя наблюдения зари с другими приметами, достигли в деле предсказания погоды большого совершенства. Надо учесть, что погода в Европе чаще перемещается с запада на восток, чем наоборот; поэтому вечерняя заря является более показательной, чем утренняя. Красный закат означает, что воздух чист на западе и назавтра можно ждать хорошую погоду. Если с запада приближается циклон, то темные облака отбрасывают тени на большое пространство и вечернее небо кажется коричнево-желтым. Если к тому же дует западный ветер, на следующий день или через день можно ожидать дождь.

Красный восход означает, что к востоку от нас нет скоплений облаков. Красная окраска неба при восходе Солнца усиливается, если над нами находятся перистые облака, предвещающие возможность нового понижения атмосферного давления. Горизонтальные полосы на горизонте кажутся ярко-красными, когда в воздухе имеется много пыли или капель воды. Утром в воздухе пыли мало, следовательно, в нем есть капли воды.

При высоком давлении и хорошей погоде вечером небо ясно и мы видим пурпуровый свет; утром в таком случае часто бывает туман.

ЦВЕТА ВЛАЖНЫХ ПРЕДМЕТОВ

Влажные пористые и шероховатые предметы темнее сухих. Так, мокрые земля и асфальт кажутся нам черными, в то время как сухие они серые. Смоченный песок приобретает сочный темно-ореховый цвет, трава - темнозеленый. Мокрую ткань легко отличить по цвету от сухой.

Очевидно, что при смачивании тел увеличивается их коэффициент поглощения света и уменьшается коэффициент отражения. Но почему?

Каждое из этих тел обладает отражением света двух типов - направленным (зеркальным) и диффузным (рассеянным). Мы видим тела в рассеянном отражении. Направленный отраженный свет может проходить мимо глаз наблюдателя, тогда он невидим, или попадать в глаза, тогда наблюдатель видит блики (вспомните отсветы на классной доске).

Когда на шероховатую поверхность попадает жидкость, то она заполняет неровности. Поверхность тела становится гладкой, и доля зеркального отражения увеличивается, зато уменьшается доля рассеянного отражения и тело кажется нам более темным.

Влага, попавшая на пористые тела, покрывает не только поверхность тела, она проникает в поры или щели (например, в траве между листьями), покрывая их поверхность изнутри и уменьшая отражение света от стенок пор и щелей вследствие полного внутреннего отражения.

Таким образом, свет, попавший в пору или щель, поглощается в ней после многократного отражения, пора или щель кажутся нам темными или черными, вследствие чего кажется более темной поверхность всего тела.

СВЕТ И ТКАНЬ

Для различных целей люди применяют ткани, отличающиеся друг от друга материалом, конструкцией, окраской и степенью блеска и матовости.

При окраске ткани частицы краски проникают в промежутки между клетками волокна, а затем при освещении ткани белым светом отражают или поглощают различные цвета спектра в разной степени. Отраженный свет, попадая в глаз, создает впечатление соответствующего цвета. Белые ткани отражают и рассеивают все цвета спектра, цветные - только некоторые, избранные, темные - в большей степени поглощают и мало отражают.

Искусственные волокна приобретают цвет от пластмассы, из которой их изготавливают (вискоза, капрон, лавсан и др., рис. 56, а). Ткани растительного происхождения в необработанном виде сероваты или желтоваты. Их отбеливают различными веществами (хлор, перекись водорода и др.), которые обесцвечивают естественные пигменты, окрашивающие волокна, и ткань становится белой.

Отражение света может быть направленным и рассеянным (диффузным). Поверхности, дающие направленное отражение, отличаются блеском, дающие рассеянное отражение,-матовые. Однако даже очень темные и матовые ткани обладают некоторым блеском, в чем можно убедиться, направив на ткань узкий пучок света.

Наименьшим направленным отражением обладают ворсовые ткани - бархат, плюш и др. Они поглощают почти весь свет, падающий на них, так как лучи света, попадая между ворсинками, многократно отражаются от их поверхностей, теряя при каждом отражении значительную долю энергии вследствие поглощения. В результате интенсивность отраженного света составляет ничтожную долю от интенсивности света, упавшего на ткань. Так, например, черный бархат отражает не более 0,2% энергии упавшего на него света и поэтому является почти абсолютно черным телом.

Но если ворс приглажен или измят (рис. 56, б), то в некоторых направлениях от него идет свет, отраженный один только раз, а в других- отраженный многократно.

Свет, отраженный однократно, оказывается более интенсивным, чем отраженный многократно. Рассеянно отраженный свет обладает окраской, соответствующей цвету ткани (ворсинок), а направленно отраженный несет преимущественно окраску того света, который падает на ткань. Например, если зеленую ат-. ласную ленту освещать дневным светом, то в местах, где она рассеивает свет (не блестит), она выглядит зеленой, блестящие же ее участки - белого, чуть зеленоватого цвета. Это происходит потому, что часть света, отраженная от поверхности нитей, не проникает в глубь ткани, не взаимодействует с веществом краски и не теряет при отражении своего относительного содержания цветов. Другая же, небольшая часть света проникает внутрь вещества, частично поглощается веществом, частично отражается, частично рассеивается крупинками красителя примерно одинаково по всем направлениям, в том числе и в направлении отраженного света, придавая ему свою окраску.

Какой же должна быть поверхность ткани, чтобы она давала направленное отражение, т. е. блеск? Она должна быть по возможности гладкой. Для этого ее надо было бы отполировать, как полируют поверхность металла, дерева или других тел. Но это невозможно. Для того, чтобы поверхность ткани приблизить к полированной, нити, из которых она состоит, стараются расположить по возможности параллельно друг другу. В этом случае элементарные волокна, из которых состоят нити, будут тоже параллельны друг другу и станут давать направленное отражение. Особенно желательно, чтобы нити были слабо скручены. Тогда длинные отрезки волокон, видимые на поверхности материи, будут иметь направление, близкое к направлению нитей (рис. 56, в, слева). При высокой же крутке отрезки волокон на поверхности нитей будут короткими и сильно отличающимися по направлению от самих нитей. Ткани из таких нитей окажутся матовыми (рис. 56, в, справа).

Рассмотрим одну нить (или волокно), которую представим себе цилиндрической. Это может быть нить искусственного волокна, получаемого продавливанием жидкой окрашенной пласмтассы через цилиндрические отверстия фильеров. Вдоль этой нити свет отражается направленно, поперек нее - рассеянно (рис. 56, г). То же будет при рассмотрении ряда параллельных нитей. Смотря вдоль них, мы увидим блестящую поверхность, поперек - матовую. Так у сатина или атласа нити на лицевой стороне уложены параллельно друг другу длинными участками через несколько нитей утка, и эта сторона блестит. На обратной же стороне, где нити утка переплетены одна через одну с нитями основы ткань выглядит матовой.

Особый эффект переливающихся цветов можно получить, если уток сделать из нитей одного цвета, например зеленого, а основу из другого, например красного.

Часто можно видеть льняную белую скатерть с узором, который кажется темнее, чем окружающий его фон, если смотреть на скатерть с одной стороны, и светлее фона, если смотреть с другой стороны. Причина этого указана выше, блеск ткани зависит от расположения волокон. Вдоль волокон ткань кажется более блестящей (рис. 56, д). Блеск ткани также зависит от рода вещества, из которого состоят волокна. Так, например, шелковая нить более блестяща, чем хлопчатобумажная или шерстяная. Это связано с формой самого волокна. Гладкое волокно придает блеск нити и ткани. Иногда умышленно снижают блеск волокон, добавляя в раствор, из которого делают искусственные волокна, нерастворимые тонкие порошки (например, двуокись титана), крупинки его увеличивают рассеяние света.

Объясняя распространение света в прозрачных средах с волновой точки зрения, мы предполагали, что вторичное излучение электронов, возбужденных световой волной, когерентно с падающим. Действительно, классическая теория дисперсии основана на теории вынужденных колебаний электронов. А вынужденные колебания когерентны с вынуждающими, т. е. с возбуждающей электромагнитной волной. Учет интерференции этого излучения с первичным и приводит к известным законам отражения и преломления. При этом преломленная волна движется только вперед.

Иногда в реальных условиях возникает заметное рассеяние света, т. е. распространение вторичных волн в различных направлениях, не совпадающих с направлением первичной волны.

Существенно здесь следующее: проходящая волна приводит атомы в «возбужденное состояние», т. е. их энергия растет. Через малые (порядка 10 -9 с) промежутки времени атомы возвращаются в нормальное состояние, давая вторичное излучение, причем оно уженекогерентно с падающим, так как акты вторичного излучения распределены во времени по случайному закону. В результате вторичное излучение распространяется во все стороны - возникает рассеяние. Такое рассеяние называется резонансным - оно происходит на частотах, лежащих в полосе поглощения, и наблюдать его нелегко.

Более распространенный тип рассеяния - рассеяние на неоднородностях, позволяющее, например, следить за распространением светового луча в сосуде с водой при рассматривании его сбоку. В чистой воде рассеяние незначительно. Если же капнуть в воду одеколона (или взять раствор канифоли в спирту), то вода мутнеет и рассеяние сильно возрастает. Пока рассеяние невелико, рассеянный свет имеет голубоватый оттенок (при распространении белого света), а проходящий чуть-чуть желтеет. При увеличении мутности рассеяние усиливается, а в проходящем свете остаются только лучи длинноволновой части видимого спектра.

Так как при восходе и заходе Солнца его лучи проходят значительный путь в нижних слоях атмосферы, содержащих различные загрязнения, то возникает заметное рассеяние и Солнце кажется красноватым.

Теория рассеяния на неоднородностях была дана Рэлеем. Он показал, что частицы, размеры которых малы по сравнению с длиной волны, рассеивают свет более или менее равномерно (рис. 8.7, а), причем интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты. Если же размеры рассеивающих частиц сравнимы с длиной волны, то рассеяние происходит в основном в направлении падающей волны (рис. 8.7, б), а интенсивность его мало зависит от длины волны. Для еще больших частиц длина волны почти совсем перестает влиять на интенсивность рассеянного света (поэтому облака кажутся белыми).

Мандельштам показал, что флуктуации плотности атмосферы на больших высотах, где она практически не содержит загрязнений, происходящие в малых объемах (линейные размеры их меньше длины волны), влекут за собой изменения показателя преломления, т. е. создают микронеоднородности, вызывающие сильное рассеяние синей часта спектра солнечного света; поэтому чистое небо кажется синим.

При рассеянии линейно-поляризованного света легко обнаружить существование поляризации. Так, если вдоль оси х распространяется волна с электрическим вектором z , ТО при наблюдении рассеяния вдоль оси у свет виден хорошо (молекулярные диполи излучают в этом направлении). Но при наблюдении вдоль оси z интенсивность рассеянного света очень мала.

Эффект рассеяния поляризованного света использован Умовым в превосходной демонстрации вращения плоскости колебаний в водном растворе сахара (рис. 8.8). Узкий пучок белого света падает на зеркало 3 и идет затем вдоль оси высокого (50 - 70 см) цилиндра М, наполненного водным раствором сахара. Между зеркалом и цилиндром находится поляризатор П. Плоскость колебаний в растворе постепенно поворачивается, причем угол поворота на единицу длины пути зависит от длины волны света. Наблюдатели А и Б, смотрящие на цилиндр в направлениях, образующих прямой угол, воспринимают разную окраску некоторого сечения, а весь цилиндр кажется им пронизанным цветным винтом. Если поворачивать поляризатор, то этот винт также поворачивается. При повороте поляризатора на 90° максимум интенсивности некоторого цвета сменяется минимумом, и наоборот. Во всех рассмотренных случаях частота света при рассеянии сохраняется. Явления рассеяния с изменением частоты света не могут быть объяснены с волновой точки зрения; они описаны в главе 10.

С классической точки зрения электронной теории света процесс рассеяния света заклю­чается в том, что свет, проходящий через вещество, вызывает коле­бания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны возбуждают вторичные волны, распространяющиеся по всœем направлениям. Это явление, казалось бы, должно при всœех условиях приводить к рас­сеянию света. При этом вторичные волны являются когерентными, так что крайне важно учесть их взаимную интерференцию.

Соответствующий расчет дает, что в случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга во всœех направлени­ях, кроме направления распространения первичной волны. Поэто­му перераспределœения света по направлениям, т. е. рассеяния све­та͵ не происходит.

Вторичные волны не погашают друг друга в боковых направле­ниях только при распространении света в неоднородной среде. Све­товые волны, дифрагируя на неоднородностях среды, дают дифрак­ционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распределœением интенсивности по всœем направлениям. Такую диф­ракцию на мелких неоднородностях называют рассеянием света.

Среды с явно выраженной оптической неоднородностью носят название мутных сред. К их числу относятся: дымы, т. е. взвеси в газах мельчайших твердых частиц; туманы - взвеси в газах мельчайших капелœек жидкости; взвеси или суспензии, образованные плавающими в жидкости твердыми частичками; эмульсии, т. е. взвеси мельчайших капелœек одной жидкости в другой, не растворяющей первую (примером эмульсии может слу­жить молоко, представляющее собой взвесь капелœек жира в воде); твердые тела вроде перламутра, опалов, молочных стекол и т. п.

Свет, рассеянный на частицах, размеры которых значительно меньше длины световой волны, оказывается частично поляризован­ным. Это объясняется тем, что колебания электронов, вызванные рассеиваемым световым пучком, происходят в плоскости, перпенди­кулярной к пучку (рис.3.5.12). Колебания вектора во вторичной волне происходят в плоскости, проходящей через направление ко­лебаний зарядов. По этой причине свет, рассеиваемый час­тицами в направлениях, перпендикулярных к пучку, будет полностью поляризован. В направлениях, образующих с пучком угол, отлич­ный от прямого, рассеянный свет поляризован только частично.

В результате рассеяния света в боковых направлениях интен­сивность в направлении распространения убывает быстрее, чем в случае одного лишь поглощения. По этой причине для мутного вещества в выражении (3.5.18), наряду с коэффициентом поглощения , дол­жен стоять добавочный коэффициент , обусловленный рассеянием:

(3.5.19)

Постоянная принято называть коэф­фициентом экстинкции.

В случае если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной све­товой волны (не более ~0,1l), ин­тенсивность рассеянного света I оказывается пропорциональной четвертой степени частоты или обратно пропорциональной четвертой степени длины волны:

I ~ ω 4 ~ 1 / λ 4 (3.5.20)Эта зависимость носит название закона Рэлея. Ее проис­хождение легко понять, в случае если учесть, что мощность излучения ко­леблющегося заряда пропорциональна четвертой степени частоты и, следовательно, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны.

В случае если размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны, элек­троны, находящиеся в различных местах неоднородности, колеблютcя с заметным сдвигом по фазе. Это обстоятельство ус­ложняет явление и приводит к другим закономерностям - интенсивность рассеянного света становится пропорцио­нальной всœего лишь квадрату частоты (обратно пропор­циональной квадрату длины волны).

Проявление закономерности (3.5.19) легко наблюдать, пропуская пучок белого света через сосуд с мутной жидкостью (рис. 3.5.9). Вследствие рассеяния след пучка в жидкости хорошо виден сбоку, причем, поскольку короткие световые волны рассеиваются гораздо сильнее длинных, данный след

представляется голубоватым. Прошед­ший через жидкость пучок оказывается обогащенным длинновол­новым излучением и образует на экране Э не белое, а красновато-желтое пятно. Поставив на входе пучка в сосуд поляризатор Р, мы обнаружим, что интенсивность рассеянного света в различных направлениях, перпендикулярных к первичному пучку, не одина­кова. Направленность излучения диполя приводит к тому, что в направлениях, совпадающих с плоскостью колебаний первичного пучка, интенсивность рассеянного света практически равна нулю, в направлениях же, перпендикулярных к плоскости колебаний, интенсивность рассеянного света максимальна. Пово­рачивая поляризатор вокруг направления первичного пучка, мы будем наблюдать попеременное усиление и ослабление света͵ рас­сеивающегося в данном направлении.

В случае рассеяния естественного света интенсивность света͵ рассеянного под углом к направлению первичного пучка, зависит от следующим образом:

где I p / 2 – интенсивность света͵ рассеиваемого перпендикулярно к направлению первичного пучка. В случае если молекулы рассеивающих частичек электрически изотропны (ᴛ.ᴇ. неполярные молекулы), то рассеиваемый свет оказывается частично – поляризован, и под углом - полностью поляризован. В этом случае его плоскость поляризации перпендикулярна направлению первичного светового пучка.

В случае если размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны, то электроны в различных местах неоднородности колеблются уже не синфазно. Это усложняет рассеяние и приводит к другим закономерностям. Закон Рэлея нарушается, интенсивность рассеянного света становится пропорциональной квадрату частоты (обратно пропорциональна квадрату длины волны), и свет, рассеянный под углом , оказывается поляризованным лишь частично.

В случае если размеры неоднородностей много больше длины световой волны, спектральный состав рассеиваемого света практически совпадает со спектральным составом падающего света. Этим, к примеру, объясняется белый состав облаков.

Рассеяние света наблюдается и в чистых средах – молекулярное рассеяние света. Причиной оптических неоднородностей в данном случае являются флуктуации плотности (отклонения в пределах малых объёмов плотности от ее среднего значения, возникающие в процессе хаотического теплового движения молекул среды). Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба. Непрерывно возникающие в атмосфере флуктуации плотности в малых объёмах приводят, согласно закону Рэлея, к тому, что синие и голубые составляющие солнечного света рассеиваются сильнее, чем желтые и красные. При восходе и заходе Солнца прямой солнечный свет проходит через большую толщу атмосферы, и при этом большая доля коротковолнового излучения теряется на рассеяние. Из прямого света до поверхности Земли доходит преимущественно красная составляющая спектра. По этой причине при заходе и восходе Солнце кажется красным.

Эффект, связанный с молекулярным рассеянием света͵ зависит от температуры- с ее ростом он увеличивается.

Даже тщательно очищенные от посторонних примесей и загряз­нений жидкости и газы в некоторой степени рассеивают свет. Л. И. Мандельштам и М. Смолуховский установили, что причиной появления оптических неоднородностей являются в данном случае флуктуации плотности (т. е. наблюдаемые в пределах малых объе­мов отклонения плотности от ее среднего значения). Эти флуктуа­ции вызваны беспорядочным движением молекул вещества; в связи с этим обусловленное ими рассеяние света принято называть молекулярным.

Особенно благоприятные условия для возникновения значи­тельных флуктуации плотности имеются вблизи критического со­стояния вещества. Эти флуктуации приводят к столь интенсивному рассеянию света͵ что ʼʼна просветʼʼ стеклянная ампула с веществом кажется совершенно черной. Это явление принято называть критической опалесценцией.

Рассеяние света - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Рассеяние света" 2017, 2018.

Рассеянием света называют явление, при котором распространяющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозмож­ным направлениям.

Необходимое условие для возникновения рассеяния света - наличие оптических неоднородностей, т. е., в частности, областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.

Рассеяние света возникает на оптических неоднородностях среды. Различают два основных вида таких неоднородностей:

1) мелкие инородные частицы в однородном прозрачном веществе. Такие среды являются мутными: дым (твердые частицы в газе), туман (капельки жидкости в газе), взвеси, эмульсии и т. п. Рассеяние в мутных средах называют явлением Тиндаля;

2) оптические неоднородности, возникающие в чистом веществе из-за статистического отклонения молекул от равномерного распределения (флуктуации плотности). Рассеяние света на неоднородностях этого типа называют молекулярным, например рассеяние света в атмосфере.

Уменьшение интенсивности света вследствие рассеяния, как и при поглощении, описывают показательной функцией

I = I 0 е – ml (24.10)

где m - показатель рассеяния (натуральный).

При совместном действии поглощения и рассеяния света ослабление интенсивности также является показательной функцией

I = I 0 е –  l (24.11)

где  - показатель ослабления (натуральный). Как нетрудно видеть,  = m + k 

Рэлей установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднородностях, приблизительно меньших 0,2, (. - длина волны света), а также при молекулярномрассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорци­ональна четвертой степени длины волны (закон Рэлея):

I ~ 1/ 4 (24.12)

Это означает, что из белого света веществом, например в точкеД (

Рис. 24.3

Меньшее рассеяние красных лучей используют в сигнализа­ции: опознавательные огни на аэродромах, наиболее ответствен­ный свет светофора - красный, и т. п. Инфракрасные лучи рассе­иваются еще меньше. На рис. 24.4 изображены две фотографии пейзажа: на левой, снятой обычным методом, туман сильно ограничил видимость; на правой, снятой в инфракрасном излучении на специальной пластинке, туман не мешает, он оказался прозрачным для более длинных волн.

Если взвешенные частицы велики по сравнению с длиной волны, то рассеяние не соответствует закону Рэлея (24.12) - в знаменателе дроби будет стоять  2 . Рассеянный свет теряет свою голубизну и становится белее. Так, пыльное небо городов кажется нам белесым в противоположность темно-синему небу чистых морских просторов.

Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и т. д. приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях и т. д. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометри ей, а соответствующие приборы - нефелометрами.

Еще один тип рассеяния света, названный комбинационным рассеянием, был открыт в 1928 г. Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом в Москве и одновременно Ч. В. Раманом в Индии. Это явление заключается в том, что в спектре рассеяния помимо несмещенной линии, соответствующей частоте падающего света, появляются новые линии, частоты которыхпредставляют собой комбинацию частоты падающего света  0 и частот  i . (i = 1, 2, ...) колебательных или вращательных переходов рассеивающих молекул:

 =  0 ±  i . (24.13)

Комбинационное рассеяние можно рассматривать как неупругое соударение квантов с молекулами. При соударении квант может отдать молекуле или получить от нее только такие количества энергии, которые равны разностям двух ее энергетических уровней. Если при столкновении с квантом молекула переходит из состояния с энергиейЕ" в состояние с энергиейЕ" (Е" > Е"), то энергия фотонапосле рассеяния станет равной h  0 - Е, где Е = Е" - Е". Соответственно частота кванта уменьшится на  1 = E / h - возникает спутник с большей длиной волны, который условно называют «красным». Если первоначально молекула находилась в состоянии с энергиейЕ", она может перейти в результате соударения с фотоном в состояние с энергией Е", отдав избыток энергии Е = Е" - Е" кванту. В результате энергия кванта станет равнойh  0 +Е и частота увеличится на  1 - возникает спутник с меньшей длиной волны, называемый «синим». Рассеяние квантаh  0 может сопровождаться переходами молекулы между различными вращательными или колебательными уровнямиЕ", Е", Е"" и т. д. В результате возникает ряд симметрично расположенных спутников.

С помощью метода комбинационного рассеяния определяются собственные частоты колебаний молекулы; он позволяет также судить о характере симметрии молекулы. Спектры комбинационного рассеяния настолько характерны для молекул, что с их помощью осуществляется анализ сложных молекулярных смесей. Спектроскопия комбинационного рассеяния дает информацию, аналогичную получаемой инфракрасной спектроскопией, но имеет то преимущество, что позволяет работать с водными растворами молекул, используя видимый свет, для которого растворитель прозрачен.

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.