Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кішкентай бөлшектер арқылы жарық шашырауы – оптикалық құбылыс.
Light scattering by small particles
the optical phenomenon
Рейли шашырауы (/r/eɪ/l/i/ RAYlee) – 19 ғасырдағы британдық физик Лорд Рейли (Джон Уильям Стратт) есімімен аталған, жарық немесе басқа электромагниттік сәулеленудің негізінен серпімді шашырауы, мұнда шашыратушы бөлшектердің мөлшері сәулеленудің толқын ұзындығынан әлдеқайда кішідірек болады. Шашырату ортасының резонанстық жиілігінен төмен жарық жиіліктерінде (қалыпты дисперсия режимі) шашырау мөлшері толқын ұзындығының төртінші дәрежесіне кері пропорционал. Мысалы, көк түс ауа арқылы таралғанда қызыл түске қарағанда әлдеқайда көп шашырайды. Рейли шашырауы бөлшектердің электрлік поляризациялануынан туындайды. Жарық толқынының өтетін электр өрісі бөлшектер ішіндегі зарядтарға әсер етеді, оларды бірдей жиілікте қозғалады. Сондықтан бөлшек шашыраған жарық ретінде көрінетін сәуле шығаратын кішкентай дипольге айналады. Бөлшектер жеке атомдар немесе молекулалар болуы мүмкін; бұл құбылыс жарық мөлдір қатты денелер мен сұйықтықтар арқылы өтетін кезде пайда болуы мүмкін, бірақ газдарда ең жақсы байқалады. Жер атмосферасында күн сәулесінің Рейли шашырауы күндізгі және сумерек аспанының көк түсіне, сондай-ақ төменгі күннің сарыдан қызылға дейінгі түсіне себеп болатын диффузды сәулеленуді тудырады. Күн сәулесі Раман шашырауына да ұшырайды, ол молекулалардың айналу күйін өзгертеді және поляризациялық эффектілерге әкеледі. Жарықтың толқын ұзындығымен салыстырылатын немесе одан да үлкен бөлшектердің шашырауы әдетте Ми теориясы, дискретті дипольдік жуықтау және басқа да есептеу әдістерімен қарастырылады. Рейли шашырауы жарықтың толқын ұзындығына қатысты кішкентай және оптикалық тұрғыдан «жұмсақ» (яғни, сыну көрсеткіші 1-ге жақын) бөлшектерге қолданылады. Аномальды дифракция теориясы оптикалық жұмсақ, бірақ үлкен бөлшектерге қолданылады.
Rayleigh scattering ('/r//eɪ//l//i/ RAYlee), named after the 19th century British physicist Lord Rayleigh (John William Strutt), is the predominantly elastic scattering of light, or other electromagnetic radiation, by particles with a size much smaller than the wavelength of the radiation. For light frequencies well below the resonance frequency of the scattering medium (normal dispersion regime), the amount of scattering is inversely proportional to the fourth power of the wavelength, e. g., a blue color is scattered much more than a red color as light propagates through air. Rayleigh scattering results from the electric polarizability of the particles. The oscillating electric field of a light wave acts on the charges within a particle, causing them to move at the same frequency. The particle, therefore, becomes a small radiating dipole whose radiation we see as scattered light. The particles may be individual atoms or molecules; it can occur when light travels through transparent solids and liquids, but is most prominently seen in gases. Rayleigh scattering of sunlight in Earth's atmosphere causes diffuse sky radiation, which is the reason for the blue color of the daytime and twilight sky, as well as the yellowish to reddish hue of the low Sun. Sunlight is also subject to Raman scattering, which changes the rotational state of the molecules and gives rise to polarization effects. Scattering by particles with a size comparable to, or larger than, the wavelength of the light is typically treated by the Mie theory, the discrete dipole approximation and other computational techniques. Rayleigh scattering applies to particles that are small with respect to wavelengths of light, and that are optically "soft" (i. e., with a refractive index close to 1). Anomalous diffraction theory applies to optically soft but larger particles.
Тарих
1869 жылы Джон Тиндалл инфрақызыл эксперименттері үшін қолданған тазартылған ауада қандай да бір ластаушы заттар қалған-қалмағанын анықтауға тырысқанда, наноскоптық бөлшектерден шашыраған жарқын жарықтың әлсіз көгілдір түске боялғандығын байқады. Ол күн сәулесінің ұқсас шашырауы аспанға көк түс береді деп болжады, бірақ көк жарыққа басымдық берілуін түсіндіре алмады, сондай-ақ атмосферадағы шаң аспан түсінің қарқындылығын түсіндіре алмады. 1871 жылы Лорд Рейли су тамшыларындағы Тиндалл әсерін шағын бөлшектердің көлемі және сыну көрсеткіштері арқылы сандық бағалау үшін аспанның түсі мен поляризациясы туралы екі мақала жариялады. 1881 жылы Джеймс Клерк Максвеллдің 1865 жылы жарықтың электромагниттік табиғатын дәлелдеуінің нәтижесінде ол өзінің теңдеулері электромагнитизмнен туындайтынын көрсетті. 1899 жылы ол олардың жеке молекулаларға да қатысты екенін көрсетті, онда бөлшектердің көлемдері мен сыну көрсеткіштері молекулалық поляризациялану шамаларымен алмастырылды.
In 1869, while attempting to determine whether any contaminants remained in the purified air he used for infrared experiments, John Tyndall discovered that bright light scattering off nanoscopic particulates was faintly blue tinted. He conjectured that a similar scattering of sunlight gave the sky its blue hue, but he could not explain the preference for blue light, nor could atmospheric dust explain the intensity of the sky's color. In 1871, Lord Rayleigh published two papers on the color and polarization of skylight to quantify Tyndall's effect in water droplets in terms of the tiny particulates' volumes and refractive indices. In 1881, with the benefit of James Clerk Maxwell's 1865 proof of the electromagnetic nature of light, he showed that his equations followed from electromagnetism. In 1899, he showed that they applied to individual molecules, with terms containing particulate volumes and refractive indices replaced with terms for molecular polarizability.
Аморфты қатты денедегі дыбыс
Рейлидің шашырауы шыны сияқты аморфты қатты денелерде толқын шашырауының маңызды механизмі болып табылады және төмен немесе тым жоғары емес температурада шыны мен ұсақ бөлшекті материалдардағы дыбыстық толқынның және фонондық шашыраудың өшуіне жауапты. Бұл себебі, жоғары температурадағы шыныларда Рейли түріндегі шашырау режимі ангармониялық өшумен жасырылады (әдетте толқын ұзындығына ~λ−2 тәуелділікпен), температураның көтерілуімен бұл өшудің маңыздылығы артады.
Rayleigh scattering is also an important mechanism of wave scattering in amorphous solids such as glass, and is responsible for acoustic wave damping and phonon damping in glasses and granular matter at low or not too high temperatures. This is because in glasses at higher temperatures the Rayleigh type scattering regime is obscured by the anharmonic damping (typically with a ~λ−2 dependence on wavelength), which becomes increasingly more important as the temperature rises.
Аморфты қатты денелерде шыныларда оптикалық талшықтарда
Рейли шашырауы – оптикалық талшықтардағы оптикалық сигналдардың шашырауының маңызды құрауы. Кварц талшықтары – шыны, тығыздығы мен сыну көрсеткіші микроскопикалық түрде өзгеретін ретсіз материалдар. Бұл шашыраған жарықтан туындайтын энергия жоғалтуына себеп болады, келесі коэффициент арқылы:
Rayleigh scattering is an important component of the scattering of optical signals in optical fibers. Silica fibers are glasses, disordered materials with microscopic variations of density and refractive index. These give rise to energy losses due to the scattered light, with the following coefficient:
мұнда n – сыну индексі, p – шынының фотоэластикалық коэффициенті, k – Больцман тұрақтысы және β – изотермиялық икемделу. Tf – материалдағы тығыздық флуктуацияларының «қатаңдалған» температурасын көрсететін фиктивті температура.
where n is the refraction index, p is the photoelastic coefficient of the glass, k is the Boltzmann constant, and β is the isothermal compressibility. Tf is a fictive temperature, representing the temperature at which the density fluctuations are "frozen" in the material.
Көлдірлі материалдардан жасалған
Рэйлидің λ−4 типті шашырауы саңылаулы материалдарда да байқалуы мүмкін. Мысалы, нанопорозды материалдардың күшті оптикалық шашырауы. Синтерленген алюминийдің порлары мен қатты бөліктері арасындағы сындыру көрсеткішінің айқын айырмашылығы өте күшті шашырауға алып келеді, нәтижесінде жарық әрбір бес микрометрде орташа есеппен толыққандай бағытын өзгертеді. λ−4 типті шашырау монодисперсивті алюминий ұнтағын ыстату арқылы алынған нанопорозды құрылыммен (шамамен ~70 нм мөлшерлес тарамды порлардың тар таралуы) шартталған.
Rayleigh type λ−4 scattering can also be exhibited by porous materials. An example is the strong optical scattering by nanoporous materials. The strong contrast in refractive index between pores and solid parts of sintered alumina results in very strong scattering, with light completely changing direction each five micrometers on average. The λ−4 type scattering is caused by the nanoporous structure (a narrow pore size distribution around ~70 nm) obtained by sintering monodispersive alumina powder.