Комбинационное рассеяние света.

Природа рассеяния света:

Распространяющийся свет в среде (электро-магнитная волна) воздействует на молекулы среды, которые поглощают энергию этой волны в определенном диапазоне частот, а затем ее же переизлучают.

Типы рассеяния света:

Характер рассеяния света зависит от соотношения между длинной волны и размерами рассеивающей частицы d. Если , то рассеяние называется рассеянием Рэлея. Если d одного порядка с , или больше, то рассеяние Ми. Есть еще частные случаи рассеяния света: рассеяние на неоднородностях среды, в которой распространяется звуковая волна-рассеяние Мандельштамма – Бриллюэна, комбинационное распространение света связано с распространением в мутных средах.

Рассеяние Релея и Ми являются классическими видами, т. е. частота рассеивающего света совпадает с частотой падающего света. Рассеяние Мандельштамма – Бриллюэна и комбинационное связано с изменением частоты рассеянного света: распределение энергии в рассеянном свете отличается от распределения в первичном свете (по закону Рэлея).

В спектре рассеянного света наблюдаются кроме линий, характеризующих падающий свет, еще добавочные линии, спутники, сопровождающие каждую из линий первичного света. Обнаружить спутники можно, только если падающий свет представляет собой совокупность отдельных линий.

Законы этого явления:

1. Спутники сопровождают каждую линию первичного света.

2. Различие в частотах возбуждающей первичной линии и линий каждого из спутников характерно для рассеивающего вещества и равно частотам собственных колебаний его молекул:

3. Спутники представляют собой две системы линий, лежащих симметрично по обе стороны возбуждающей линии, т. е. , где - частота спутников, лежащих в сторону более длинных волн, - частоты спутников, лежащих с другой стороны.

4. С повышением температуры интенсивность “фиолетовых” спутников быстро возрастает.

Свет частоты распространяется в виде определенных порций (квантов), величина котрых , где -универсальная постоянная Планка. Следовательно рассеяние света молекулами можно рассматривать как столкновение световых квантов фотонов, т. е. фотонов, с молекулами, в которого фотоны изменяют направление своего полета, т. е. рассеиваются в стороны. Столкновения фотонов с молекулами могут быть как упругими, так и неупругими. В первом случае энергия молекулы и частота фотона не меняются. При неупругом столкновении энергия фотона увеличивается или уменьшается на величину колебательного кванта . Если свет вступает во взаимодействие с молекулой, не находящейся в состоянии колебания, то он отдает молекуле соответствующую часть энергии и превращается в излучение меньшей частоты в соответствии с уравнением: или где - частота возбуждающего света, - частота колебаний молекулы.

Если же свет воздействует на молекулу, находящуюся в колебательном состоянии, т. е. обладающую энергией , то он может отобрать от молекулы эту энергию и превратиться в излучение большей частоты в соответствии с уравнением: , или .

Изменения в поляризуемости могут наступить, если меняется конфигурация отдельных атомов, составляющих молекулу, что всегда имеет место при колебаниях атомов, входящих в состав молекулы. Что может привести к изменению внутреннего поля молекулы, воздействующего на электроны, смещение которых под действием света и определяет поляризацию молекулы. Так как изменения в поляризуемости, обусловленные колебаниями атомов в молекуле, значит, интенсивность света меняется периодически с частотой этих внутримолекулярных колебаний . Частота рассеянного света комбинируется из частоты падающего света и частоты внутримолекулярного колебания. Отсюда название – комбинационное рассеяние.

Чтобы объяснить рассеяние Рэлея и Ми рассмотрим модуль элементарного излучения. Он поглощает падающую волну и совершает вынужденные колебания по уравнению: приближенный коэффициент затухания , где р – дипольный момент. Напряжение поля, которое при этом возникает определяется: , где с - скорость света. Если , то интенсивность рассеянного света обратно пропорционально (цвет неба - голубой).

, т. е. интенсивность более слабая (цвет неба - серый).