БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (РА)

Основная особенность Р. с. отдельным атомом — сильная зависимость сечения рассеяния от частоты. Если частота w падающего света мала по сравнению с частотой w 0собственных колебаний атомных электронов (атомной линии поглощения), то s ~ w 4, 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 » w 0) сечения резко возрастают, достигая в резонансе (w = w 0) очень больших значений s » l 2~ 10 —10 см 2 . 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 -6интенсивности 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 l n 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 e 0вещества шара и окружающей среды: s ~ l n —4 r 6(e - e 0)(Рэлей, 1871). С увеличением r до r ~ l n и более (при условии e > 1) в индикатрисе рассеяния появляются резкие максимумы и минимумы — вблизи т. н. резонансов Ми (2 r = m l n, m = 1, 2, 3,...) сечения сильно возрастают и становятся равными 6p r 2, рассеяние вперёд усиливается, назад — ослабевает; зависимость поляризации света от угла рассеяния значительно усложняется.

Р. с. большими частицами ( r >> l n ) 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 /l n. 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.

Если фаза рассеянной волны однозначно определяется фазой падающей волны, Р. с. называется когерентным, в противном случае — некогерентным. По исторической традиции Р. с. отдельной молекулой (атомом) часто называется когерентным, если оно рэлеевское, и некогерентным, если оно неупруго. Такое деление условно: рэлеевское Р. с. может являться некогерентным процессом так же, как и комбинационное. Строгое решение вопроса о когерентности при Р. с. тесно связано с понятием квантовой когерентности и статистикой излучения. Резкое различие в пространственном распределении когерентно и некогерентно рассеянного света обусловлено тем, что при некогерентном Р. с. вследствие нерегулярного, случайного распределения неоднородностей в среде фазы вторичных волн случайны по отношению друг к другу; поэтому при интерференции не происходит полного взаимного гашения волн, распространяющихся в произвольном направлении.

Впервые на Р. с. тепловыми флуктуациями (его называют молекулярным Р. с.) указал М. Смолуховский в 1908. Он развил теорию молекулярного Р. с. разреженными газами, в которых положение каждой отдельной частицы можно с хорошей степенью точности считать не зависящим от положений др. частиц, что и является причиной случайности фаз волн, рассеянных каждой частицей. Взаимодействием частиц между собой в ряде случаев можно пренебречь. Это позволяет считать, что интенсивность света, некогерентно рассеянного коллективом частиц, есть простая сумма интенсивностей света, рассеянного отдельными частицами. Суммарная интенсивность пропорциональна плотности газа. В оптических тонких средах (см. Оптическая толщина ) Р. с. сохраняет многие черты, свойственные Р. с. отдельными молекулами (атомами). [В оптически плотных средах чрезвычайно существенным становится многократное рассеяние (переизлучение)]. Так, в атмосфере Земли сечение рассеяния солнечного света на флуктуациях плотности характеризуется той же зависимостью s ~ l —4, что и нерезонансное Р. с. отдельными частицами. Этим объясняется голубой цвет неба: высокочастотную (голубую) составляющую спектра лучей Солнца атмосфера рассеивает гораздо сильнее, чем низкочастотную (красную). Весьма сложна картина Р. с. при резонансной флуоресценции, когда в объёме l 3находится большое число частиц. В этих условиях коллективные эффекты становятся определяющими; Р. с. может происходить по необычному для газа типу, например приобретая характер металлического отражения от поверхности газа. Полная теория резонансной флуоресценции не разработана.

Молекулярное Р. с. чистыми, без примесей, твёрдыми и жидкими средами отличается от нерезонансного Р. с. газами вследствие коллективного характера флуктуаций показателя преломления (обусловленных флуктуациями плотности и температуры среды при наличии достаточно сильного взаимодействия частиц друг с другом). Теорию упругого Р. с. жидкостями развил в 1910, исходя из идей Смолуховского, А. Эйнштейн. Эта теория основывалась на предположении, что размеры оптических неоднородностей в среде малы по сравнению с длиной волны света. Вблизи критических точек (см. Критическое состояние ) фазовых переходов интенсивность флуктуаций значительно возрастает и размеры областей неоднородностей становятся сравнимы с длиной волны света, что приводит к резкому усилению Р. с. средой — опалесценции критической , осложнённой явлением переизлучения.