Молекулярне розсіяння світла

Поширення світла в оптично неоднорідному середовищі

Реальні середовища ніколи не бувають однорідними, в них є градієнти, температури,анізотропії тощо,внаслідок чого показник заломлення є функцією координат і часу. Поряд з цими неоднорідностями, які можна віднести до макроскопічних у середовищах зустрічаються мікроскопічні неоднорідності,зумовлені сторонньою речовиною у вигляді частинок пилу,колоїдних частинок,крапель і т.д. Такі середовища є каламутними. При поширенні світла крізь каламутне середовище виникає розсіяння його у всіх напрямках і зменшення інтенсивності прямого пучка. Оптичні мікроскопічні неоднорідності в речовині зумовлюються не тільки сторонньою речовиною. Вони існують і без неї, завдяки різноманітним флуктуаціям,зміст яких полягає в статистичних коливаннях у дуже малих об’ємах. Флуктуації спричинені хаотичним тепловим рухом атомів,молекул та інших частинок,з яких складається речовина. Величина флуктуації залежить від температури,збільшуючись при підвищенні її. Відповідно й інтенсивність розсіяного світла також збільшується. Розсіяння світла, спричинене тепловим рухом

Молекулярне розсіяння світла

Оскільки термодинамічні флуктуації пов’язані із зміною концентрації молекул в одиниці об’єму,то цілком зрозуміло,що ця зміна спричинить флуктуації густини. Зкурсу молекулярної фізики відомо,що абсолютне значення флуктуації густини для ідеального газу визначається формулою

, (1)

де - абсолютне значення середнього квадрата флуктуації густини; - маса молекули в грамах; – середнє число молекул в одиниці об’єму речовини; - об’єм флуктуації. Відносна флуктуація визначається формулою

Отже, відносні флуктуації в ідеальних газах тим більші, чим більше розріджений газ і чим менший об’єм досліджується.

Флуктуації густини середовища спричинюють флуктуації діелектричної сталої.

Тут - об’єм моля.

Якщо в об’ємі є збурення діелектричної сталої , то при напруженості електричного поля в цьому об’ємі виникає додатковий дипольний момент

Такий об’єм буде джерелом вторинного випромінювання, напруженість поля якого можна визначити за формулою випромінювання вібратора

Де E- амплітуда напруженості поля лінійно-поляризованої падаючої хвилі; r-відстань від об’єму,що випромінює до точки спостереження; кут між напрямом поля падаючої хвилі і напрямом на точку спостереження. Інтенсивність розсіяного світла дорівнює потоку Умова-Пойтінга (1.46).

Оскільки - інтенсивність падаючого світла,то

З (3) маємо

Діелектрична проникність і молярний об’єм пов’язані формулою

Якщо від (8) узяти похідну по , то дістанемо

Якщо вважати ,то остаточна формула для інтенсивності розсіяного світла,ідеальним газом буде

Формула для флуктуацій у реальному газі трохи відрізняється від (2). Тому для реального газу інтенсивність розсіяного світла визначається співвідношенням

Співвідношення (10) і (11) вперше знайшов Релей. Вони називаються формулами Релея.

З формул Релея випливає, що інтенсивність розсіяного світла обернено

пропорційна четвертому степеню довжини хвилі. Отже, в розсіяному світлі переважають голубі і фіолетові кольори, тоді як у прямому пучку переважають червоні кольори,які розсіюються менше. Цим пояснюється голубий колір неба і рожевий колір сонця, яке заходить або сходить.