6.4. Рассеяние света

Мы наблюдаем красное Солнце на закате и голубое небо в ясный день. Эти явления можно объяснить рассеянием света на флуктуациях плотности газа составляющего атмосферу — воздуха. поляризует газ, в результате чего каждый его небольшой объем с линейным размером меньше или порядка длины волны приобретает изменяющийся во времени электрический дипольный момент и сам становится источником излучения, частота которого равна частоте - падающего света. «Хитрость» в том, что интенсивность вторичных – излучаемых газом волн пропорциональна четвертой степени их частоты. То есть голубой свет рассеивается на порядок более интенсивно, чем красный. Днем, глядя на небо, мы видим рассеянный голубой свет. Во время восхода или заката Солнца мы видим прошедший через атмосферу свет, обогащенный слабо рассеивающейся длинноволновой красной компонентой. Более подробное рассмотрение следует ниже.

В теории излучения на основе уравнений Максвелла показывается, что мощность вторичного излучения пропорциональна квадрату ускорения заряженной частицы. Если электроны под действием световой волны колеблются по закону

то их ускорение

пропорционально квадрату частоты . Соответственно, мощность вторичного излучения пропорциональна четвертой степени частоты. Поэтому и интенсивность рассеянного света пропорциональна частоте в четвертой степени частоты или обратно пропорциональна четвертой степени длины световой волны — закон Рэлея:

Следовательно, красный и оранжевый свет рассеиваются гораздо слабее, чем голубой и фиолетовый, и поэтому небо в ясный день выглядит голубым. На закате солнечные лучи проходят максимальный слой атмосферы. Значительная часть голубого излучения рассеивается и не попадает в глаз наблюдателя. Поэтому прошедший луч, достигающий поверхности Земли, лишается голубой и фиолетовой составляющих и поэтому кажется красноватым.

Следует отметить, что закон Рэлея имеет место только в случае, когда рассеивающие объекты оказываются меньше длины световой волны. Но, к примеру, облака содержат капельки воды и кристаллы льда, размеры которых значительно превышают длину волны. Множество таких частиц рассеивает свет почти равномерно на всех частотах, главным образом за счет отражения света на поверхностях этих частиц, а не собственно рассеяния, если под ним понимать излучение вторичных волн. Поскольку коэффициент отражения практически не зависит от частоты  и снег и облака и соль в солонке кажутся белыми.

Помимо рэлеевского рассеяния существуют другие процессы рассеяния, в частности, с изменением частоты рассеянного света, такие, как комбинационное рассеяние света, которое будет рассмотрено позднее.

 

Дополнительная информация

http://sfiz.ru/list.php?c=volnoptika – Волновая оптика Учебные материалы.

http://www.physics.spbstu.ru/lec-ivanov-4.shtml – В.К. Иванов. Курс общей физики. Волновая оптика.

http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/9806_106.pdf – Е.Д. Трифонов. Вариационные принципы в физике.

http://www.plib.ru/library/book/16973.html – Ахманов С.А., Никитин С.Ю., «Физическая оптика». Электромагнитная теория света, излучение и генераторы света, интерференция, дифракция, когерентность, свет и вещество.

http://school-collection.edu.ru/catalog/rubr/ef4b174a-8fec-c03a-df26-ae730713bc30/79293/?interface=themcol – Интерактивные модели по физике. Волновая оптика.

http://www.physel.ru/-mainmenu-62.html – Материалы по физической оптике.

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Ditchbern1965ru.djvu – Р. Дитчберн «Физическая оптика».