Большая Советская Энциклопедия (РА) - БСЭ БСЭ

  Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Квантовая механика, 3 изд., М., 1974 (Теоретическая физика, т. 3); Давыдов А. С., Квантовая механика, 2 изд., М., 1973; Гольдбергер М., Ватсон К., Теория столкновений, пер. с англ., М., 1967; Мотт Н., Месс и Г., Теория атомных столкновений, пер. с англ., М., 1951; Ситенко А. Г., Лекции по теории рассеяния, К., 1971.

  С. М. Биленький.

Рис. 2. к ст. Рассеяние микрочастиц.

Рис. 1. к ст. Рассеяние микрочастиц.

Рассеяние света

Рассе'яние све'та, изменение характеристик потока оптического излучения (света) при его взаимодействии с веществом. Этими характеристиками могут быть пространственное распределение интенсивности, частотный спектр, поляризация света. Часто Р. с. называется только обусловленное пространственной неоднородностью среды изменение направления распространения света, воспринимаемое как несобственное свечение среды.

  Последовательное описание Р. с. возможно в рамках квантовой теории взаимодействия излучения с веществом, основанной на квантовой электродинамике и квантовых представлениях о строении вещества. В этой теории единичный акт Р. с. рассматривается как поглощение частицей вещества падающего фотона с энергией w, импульсом (количеством движения) k и поляризацией m, а затем испускание фотона с энергией w, импульсом k' и поляризацией m'. Здесь  — Планка постоянная, w и w' — частоты фотонов, каждая из величин k и k' — волновой вектор. Если энергия испущенного фотона равна энергии поглощённого (w = w'), Р. с. называется рэлеевским, или упругим. При w ¹ w' Р. с. сопровождается перераспределением энергии между излучением и веществом и его называют неупругим.

  Во многих случаях оказывается достаточным описание Р. с. в рамках волновой теории излучения (см. Излучение, Оптика). С точки зрения этой теории (называемой классической), падающая световая волна возбуждает в частицах среды вынужденные колебания электрических зарядов («токи»), которые становятся источниками вторичных световых волн. При этом определяющую роль играет интерференция света между падающей и вторичными волнами (см. ниже).

  Количественной характеристикой Р. с. и при классическом, и при квантовом описании является дифференциальное сечение рассеяния ds, определяемое как отношение потока излучения dl, рассеянного в малый элемент телесного угла dW, к величине падающего потока l0: ds = dl / l0. Полное сечение рассеяния s есть сумма ds по всем dW (сечение измеряют обычно в см2). При упругом рассеянии можно считать, что s — размер площадки, «не пропускающей свет» в направлении его первоначального распространения (см. Эффективное поперечное сечение). При классическом описании Р. с. часто пользуются матрицей рассеяния, связывающей амплитуды падающей и рассеянных по всевозможным направлениям световых волн и позволяющей учесть изменение состояния поляризации рассеянного света. Неполной, но наглядной характеристикой Р. с. служит индикатриса рассеяния — кривая, графически отображающая различие в интенсивностях света, рассеянного в разных направлениях.

  Вследствие обилия и разнообразия факторов, определяющих Р. с., весьма трудно развить одновременно единый и детальный способ его описания для различных случаев. Поэтому рассматривают Идеализированные ситуации с разной степенью адекватности самому явлению.

  Р. с. отдельным электроном с большой точностью является упругим процессом. Его сечение не зависит от частоты (т. н. томсоновское Р. с.) и равно s = (8p/3) r20 = 6,65×10—25 см2(r0 = e2/mc2 — т. н. классический радиус электрона, много меньший длины волны света; е и m — заряд и масса электрона; с — скорость света в вакууме). Индикатриса рассеяния неполяризованного света в этом случае такова, что вперёд или назад (под углами 0° и 180°) рассеивается вдвое больше света, чем под углом 90°. Р. с. отдельными электронами — процесс, обычный в астрофизической плазме; в частности, оно ответственно за многие явления в солнечной короне и коронах др. звёзд.

  Основная особенность Р. с. отдельным атомом — сильная зависимость сечения рассеяния от частоты. Если частота w падающего света мала по сравнению с частотой w0 собственных колебаний атомных электронов (атомной линии поглощения), то s ~ w4, или l—4 (l — длина волны света). Эта зависимость, найденная на основе представления об атоме как об электрическом диполе, колеблющемся в поле световой волны, называется Рэлея законом. Вблизи атомных линий (w » w0) сечения резко возрастают, достигая в резонансе (w = w0) очень больших значений s » l2 ~ 10—10см2. Вследствие ряда особенностей резонансного Р. с. оно носит специальное название резонансной флуоресценции. Индикатриса рассеяния неполяризованного света атомами аналогична описанной для свободных электронов. Р. с. отдельными атомами наблюдается в разреженных газах.

  При Р. с. молекулами наряду с рэлеевскими (несмещенными) линиями в спектре рассеяния появляются, в отличие от случая атомарного Р. с., линии неупругого Р. с. (смещенные по частоте). Относит. смещения ÷w — w'ú/w ~ 10-3—10-5, а интенсивность смещенных линий составляет лишь 10-3—10-6 интенсивности рэлеевской. О неупругом Р. с. молекулами см. Комбинационное рассеяние света.

  Р. с. мелкими частицами обусловливает широкий класс явлений, которые можно описать на основе теории дифракции света на диэлектрических частицах. Многие характерные особенности Р. с. частицами удаётся проследить в рамках строгой теории, разработанной для сферических частиц английским учёным А. Лявом (1889) и немецким учёным Г. Ми (1908, теория Ми). Когда радиус шара r много меньше длины волны света ln в его веществе, Р. с. на нём аналогично нерезонансному Р. с. атомом. Сечение (и интенсивность) Р. с. в этом случае сильно зависит от r и от разности диэлектрических проницаемостей e и e0 вещества шара и окружающей среды: s ~ ln—4r6(e - e0)(Рэлей, 1871). С увеличением r до r ~ ln и более (при условии e > 1) в индикатрисе рассеяния появляются резкие максимумы и минимумы — вблизи т. н. резонансов Ми (2r = mln, m = 1, 2, 3,...) сечения сильно возрастают и становятся равными 6pr 2, рассеяние вперёд усиливается, назад — ослабевает; зависимость поляризации света от угла рассеяния значительно усложняется.

  Р. с. большими частицами (r >> ln) рассматривают на основе законов геометрической оптики с учётом интерференции лучей, отражённых и преломленных на поверхностях частиц. Важная особенность этого случая — периодический (по углу) характер индикатрисы рассеяния и периодическая зависимость сечения от параметра r/ln. Р. с. на крупных частицах обусловливает ореолы, радуги, гало и др. явления, происходящие в аэрозолях, туманах и пр.

  Р. с. средами, состоящими из большого числа частиц, существенно отличается от Р. с. отдельными частицами. Это связано, во-первых, с интерференцией волн, рассеянных отдельными частицами, между собой и с падающей волной. Во-вторых, во многих случаях важны эффекты многократного рассеяния (переизлучения), когда свет, рассеянный одной частицей, вновь рассеивается другими. В-третьих, взаимодействие частиц друг с другом не позволяет считать их движения независимыми.

  Л. И. Мандельштам показал (1907), что принципиально необходимым для Р. с. в сплошной среде является нарушение её оптической однородности, при котором преломления показатель среды не постоянен, а меняется от точки к точке. В безграничной и полностью однородной среде волны, упруго рассеянные отдельными частицами по всем направлениям, не совпадающим с направлением первичной волны, взаимно «гасятся» в результате интерференции. Оптическими неоднородностями (кроме границ среды) являются включения инородных частиц, а при их отсутствии — флуктуации плотности, анизотропии и концентрации, которые возникают в силу статистической природы теплового движения частиц.