Рассеяние

Как упоминалось в предыдущей главе, оптика – это прежде всего фотоны, взаимодействующие с электронами, атомами и молекулами. Если энергия фотона соответствует разности энергий между двумя уровнями возбуждения электрона, то фотон исчезает, а его энергия преобразуется в другие формы (тепло и т.д.). Однако, если энергия фотона не найдет соответствия между различными возможными уровнями возбуждения, быстро будет излучён новый фотон. Новый фотон обычно представляет собой одну и ту же энергию (и, следовательно, одну и ту же длину волны), как и старый, что заставляет ситуацию выглядеть так, будто исходный фотон отскочил, поэтому такое непоглощающее взаимодействие называется «рассеянием». Представьте человека, сидящего на дне глубокого колодца желаний, и как только кто-нибудь бросит в колодец монету – немедленно выбрасывающего её обратно. С точки зрения бросающего всё выглядит так, будто брошенная монета отскочила от дна.

Когда энергия нового фотона совпадает с энергией старого (что обычно происходит), рассеяние называется «упругим», так же как «упругими» называют механические столкновения, сохраняющие кинетическую энергию, например, между бильярдными шарами. Когда энергия нового фотона ниже (и, следовательно, его длина волны выше), рассеяние известно как «неупругое». Фотон имеет примерно равную вероятность рассеяния в любом направлении. Все наблюдаемые явления рассеяния – преломление, отражение, структурные цвета, мутность и т.д. – основаны на этих нескольких принципах.

Однако рассеяние – это нечто вроде иллюстрации к поговорке «дьявол в деталях», и даже простые задачи может быть трудно решить. В силу этого ученые с девятнадцатого века работали над разработкой ярлыков для вычислений. Эти ярлыки – теория Рэлея и Рэлея-Ганса, теория Ми, геометрическая оптика – к сожалению, нередко путают с собственно физикой, на которой они основаны. Люди часто говорят так, как будто рэлеевское рассеяние отличается от рассеяния Ми и так далее, но на самом деле теория рэлеевского рассеяния – это всего лишь набор ярлычков, дающих правильный ответ в вопросе рассеяния света на мелких частицах. Вы должны помнить, что у этих людей не было компьютеров. У нас есть. Поэтому я бы советовал думать о рассеянии как о едином, но погрязшем в разнобое вычислений явлении, а не как о наборе различных явлений. Мы вернемся к этой идее в следующей главе.

Для этой и следующей главы я буду в основном рассматривать свет как волну. Хотя я вообще предпочитаю думать о свете как о совокупности частиц, интерференция является центральным понятием в рассеянии света, и гораздо легче объясняется с помощью нашего интуитивного чувства волн. На языке волн можно моделировать рассеяние света с помощью простого правила; разделите объект на небольшие области, каждая из которых испускает поток сферических волн. Высота и фаза волн зависят от интенсивности и фазы падающего в этой области света. Каждая часть освещённого объекта излучает эти волны, а не только области, где изменяется показатель преломления (рисунок 5.1).

Сначала это может показаться странным, но будет иметь смысл, когда мы продолжим. Мой мысленный образ – это пруд в надвигающемся ливне. Когда ливень перемещается через пруд, каждая капля создает круговую волну, которая интерферирует с тысячами других дождевых волн. Наша цель – рассмотреть, как выглядит последняя волна на другой стороне пруда.

← Предыдущая страница ❋ Следующая страница →