Введение

Рассеяние света мелкими частицами – оптическое явление.

Рассеяние Рэлея ( /ˈr/eɪ/l/i/ RAYlee), названное в честь британского физика XIX века лорда Рэлея (Джона Уильяма Струтта), представляет собой преимущественно упругое рассеяние света или другого электромагнитного излучения частицами, размер которых значительно меньше длины волны излучения. Для частот света, значительно ниже резонансной частоты рассеивающей среды (в режиме нормальной дисперсии), величина рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны; например, синий цвет рассеивается гораздо сильнее, чем красный, при распространении света в воздухе. Рассеяние Рэлея обусловлено электрической поляризуемостью частиц. Колеблющееся электрическое поле световой волны воздействует на заряды внутри частицы, заставляя их двигаться с той же частотой. Таким образом, частица становится небольшим излучающим диполем, излучение которого мы воспринимаем как рассеянный свет. Частицами могут быть отдельные атомы или молекулы; это явление может происходить при прохождении света через прозрачные твердые тела и жидкости, но наиболее заметно оно наблюдается в газах. Рассеяние солнечного света в атмосфере Земли вызывает диффузное излучение неба, которое является причиной голубого цвета дневного и сумеречного неба, а также желтовато-красного оттенка низкого Солнца. Солнечный свет также подвержен рассеянию Рамана, которое изменяет вращательное состояние молекул и приводит к эффектам поляризации. Рассеяние частицами, размер которых сопоставим или превышает длину волны света, обычно рассматривается в рамках теории Ми, дискретного дипольного приближения и других вычислительных методов. Рассеяние Рэлея применимо к частицам, которые малы по сравнению с длиной волны света и оптически "мягки" (то есть имеют показатель преломления, близкий к 1). Теория аномальной дифракции применима к оптически мягким, но более крупным частицам.

История

В 1869 году, стремясь установить, остались ли какие-либо примеси в очищенном воздухе, который он использовал для инфракрасных экспериментов, Джон Тиндалл обнаружил, что яркий свет, рассеивающийся на наноскопических частицах, имел едва заметный голубоватый оттенок. Он предположил, что аналогичное рассеяние солнечного света придает небу голубой цвет, однако не мог объяснить, почему предпочтение отдается именно синему свету, и не мог объяснить интенсивность цвета неба наличием атмосферной пыли. В 1871 году лорд Рэлей опубликовал две статьи о цвете и поляризации дневного света, чтобы количественно описать эффект Тиндалла в водяных капельках, выражая его через объемы и показатели преломления мельчайших частиц. В 1881 году, опираясь на доказательство электромагнитной природы света, полученное Джеймсом Клерком Максвеллом в 1865 году, он показал, что его уравнения вытекают из электромагнетизма. В 1899 году он продемонстрировал, что эти уравнения применимы и к отдельным молекулам, при этом члены, содержащие объемы частиц и показатели преломления, заменяются членами, описывающими молекулярную поляризуемость.

Звуковой в аморфных твердых веществах

Рассеяние Рэлея также является важным механизмом рассеяния волн в аморфных твердых телах, таких как стекло, и обуславливает затухание акустических волн и фононов в стеклах и гранулированных материалах при низких или умеренных температурах. Это происходит потому, что в стеклах при более высоких температурах режим рассеяния рэлеевского типа маскируется анармоническим затуханием (обычно с зависимостью ~λ⁻² от длины волны), которое становится все более значимым с ростом температуры.

В аморфных твердых веществах стеклах оптических волокнах

Рассеяние Рэлея является важным компонентом рассеяния оптических сигналов в оптических волокнах. Кремниевые волокна – это стекла, неупорядоченные материалы с микроскопическими вариациями плотности и показателя преломления. Эти вариации приводят к потерям энергии из-за рассеянного света, описываемым следующим коэффициентом:

где n – показатель преломления, p – фотоэластический коэффициент стекла, k – постоянная Больцмана, а β – изотермическая сжимаемость. Tf – фиктивная температура, представляющая температуру, при которой флуктуации плотности "зафиксированы" в материале.

Из пористых материалов

Рассеивание типа Рэлея λ−4 также может наблюдаться в пористых материалах. Примером является сильное оптическое рассеяние нанопористых материалов. Значительная разница в показателях преломления между порами и твердой фазой спеченного оксида алюминия приводит к очень сильному рассеянию, при котором свет в среднем полностью меняет направление каждые пять микрометров. Рассеивание типа λ−4 обусловлено нанопористой структурой (узким распределением размеров пор около ~70 нм), полученной в результате спекания монодисперсного порошка оксида алюминия.