Войти
Рассеяние - это термин, используемый в физике для описания широкого спектра физических процессов, в которых движутся частицы или излучение какой-либо формы, например как свет или звук, вынужден отклоняться от прямой траектории из-за локальных неоднородностей (включая частицы и излучение) в среде, через которую они проходят. При обычном использовании это также включает отклонение отраженного излучения от угла, предсказываемого законом отражения . Отражения излучения, которые подвергаются рассеянию, часто называют диффузными отражениями, а неотраженные отражения называют зеркальными (зеркальными) отражениями. Первоначально термин ограничивался рассеянием света (по крайней мере, начиная с Исаака Ньютона в 17 веке). По мере того как было обнаружено все больше «лучевых» явлений, идея рассеяния была распространена на них, так что Уильям Гершель мог относиться к рассеянию «тепловых лучей» (не признававшихся тогда электромагнитными по природе) в 1800. Джон Тиндалл, пионер в исследованиях рассеяния света, заметил связь между рассеянием света и акустическим рассеянием в 1870-х годах. Ближе к концу XIX века наблюдалось и обсуждалось рассеяние катодных лучей (электронных лучей) и рентгеновских лучей. С открытием субатомных частиц (например, Эрнест Резерфорд в 1911 году) и развитием квантовой теории в 20-м веке значение этого термина стало шире, поскольку было признано, что те же самые математические основы, используемые при рассеянии света может быть применен ко многим другим явлениям.
Рассеяние, таким образом, относится к столкновениям частиц между молекулами, атомами, электронами, фотонами и другими частицами. Примеры включают: рассеяние космических лучей в верхних слоях атмосферы Земли; столкновения частиц внутри ускорителей частиц ; рассеяние электронов атомами газа в люминесцентных лампах; и рассеяние нейтронов внутри ядерных реакторов.
Типы неоднородностей, которые могут вызвать рассеяние, иногда называемые рассеивателями или центрами рассеяния, слишком многочисленны, чтобы их перечислить, но небольшая выборка включает частицы, пузырьки, капли, плотность флуктуации в жидкости, кристаллиты в поликристаллические твердые тела, дефекты в монокристаллических твердых телах, шероховатость поверхности, клетки в организмах и текстильные волокна в одежде. Влияние таких особенностей на траекторию распространения почти любого типа распространяющейся волны или движущейся частицы можно описать в рамках теории рассеяния.
Некоторые области, в которых рассеяние и теория рассеяния имеют важное значение, включают радиолокационное зондирование, медицина ультразвук, контроль полупроводниковых пластин, мониторинг процесса полимеризации, акустическая облицовка, связь в свободном пространстве и компьютерные изображения. Теория рассеяния частиц-частиц важна в таких областях, как физика элементарных частиц, атомная, молекулярная и оптическая физика, ядерная физика и астрофизика. В Физике элементарных частиц квантовое взаимодействие и рассеяние фундаментальных частиц описывается матрицей рассеяния или S-матрицей, введенной и разработанной Джоном Арчибальдом Уилером и Вернер Гейзенберг.
Рассеяние количественно оценивается с использованием множества различных концепций, включая сечение рассеяния (σ), коэффициенты затухания, функцию распределения двунаправленного рассеяния (BSDF), S-матрицы и средний свободный пробег.
.
Зодиакальный свет - слабое рассеянное свечение, видимое на ночном небе. Явление возникает из-за рассеяния солнечного света на межпланетной пыли, распространяющейся по плоскости Солнечной системы.Когда излучение рассеивается только одним локализованным центром рассеяния, это называется однократным рассеянием. Очень часто центры рассеяния группируются; в таких случаях излучение может рассеиваться во много раз, что называется многократным рассеянием. Основное различие между эффектами однократного и многократного рассеяния состоит в том, что однократное рассеяние обычно может рассматриваться как случайное явление, тогда как многократное рассеяние, несколько парадоксально, можно моделировать как более детерминированный процесс, поскольку объединенные результаты большого количества событий рассеяния имеют тенденцию к усреднению. Таким образом, многократное рассеяние часто может быть хорошо смоделировано с помощью теории диффузии.
Поскольку расположение единственного центра рассеяния обычно не известно относительно пути излучения, результат, который имеет тенденцию сильно зависеть от точного входящего траектория, кажется наблюдателю случайной. Этот тип рассеяния может быть проиллюстрирован выстрелом электрона в ядро атома. В этом случае точное положение атома относительно пути электрона неизвестно и невозможно измерить, поэтому точную траекторию электрона после столкновения невозможно предсказать. Поэтому однократное рассеяние часто описывается распределением вероятностей.
При многократном рассеянии случайность взаимодействия имеет тенденцию усредняться большим количеством событий рассеяния, так что конечный путь излучения оказывается детерминированным распределением интенсивности. Это иллюстрируется световым лучом , проходящим через густой туман. Множественное рассеяние очень похоже на диффузия, и термины множественное рассеяние и диффузия взаимозаменяемы во многих контекстах. Таким образом, оптические элементы, предназначенные для многократного рассеяния, известны как диффузоры. Когерентное обратное рассеяние, усиление обратного рассеяния, которое возникает, когда когерентное излучение многократно рассеивается случайной средой, обычно приписывают слабой локализации.
Не все однократное рассеяние является случайным, Однако. Хорошо управляемый лазерный луч может быть точно расположен так, чтобы, например, рассеивать микроскопические частицы с детерминированным результатом. Такие ситуации встречаются и в радарном рассеянии, где целями обычно являются макроскопические объекты, такие как люди или летательные аппараты.
Точно так же многократное рассеяние иногда может иметь несколько случайные результаты, особенно при когерентном излучении. Случайные флуктуации многократно рассеянной интенсивности когерентного излучения называются спеклами. Спекл также возникает, если несколько частей когерентной волны рассеиваются из разных центров. В некоторых редких случаях многократное рассеяние может включать только небольшое количество взаимодействий, так что случайность не усредняется полностью. Эти системы считаются одними из самых сложных для точного моделирования.
Описание рассеяния и различие между однократным и многократным рассеянием тесно связаны с дуальностью волна-частица.
Теория рассеяния - это основа для изучения и понимания рассеяния. волн и частиц. Прозаически, рассеяние волны соответствует столкновению и рассеянию волны с некоторым материальным объектом, например (солнечный свет), рассеянным каплями дождя, чтобы сформировать радугу. Рассеяние также включает взаимодействие бильярдных шаров на столе, резерфордовское рассеяние (или изменение угла) альфа-частиц на золото ядер, брэгговское рассеяние (или дифракция) электронов и рентгеновских лучей на кластере атомов и неупругое рассеяние осколка деления при его прохождении через тонкую фольгу. Точнее, рассеяние состоит из изучения того, как решения уравнений в частных производных, свободно распространяющиеся «в далеком прошлом», объединяются и взаимодействуют друг с другом или с граничным условием, а затем уйти «в далекое будущее».
A Диаграмма Фейнмана рассеяния между двумя электронами посредством испускания виртуального фотона.Электромагнитные волны - одна из наиболее известных и наиболее часто встречающихся форм излучения которые претерпевают рассеяние. Рассеяние света и радиоволн (особенно в радаре ) особенно важно. Несколько различных аспектов электромагнитного рассеяния достаточно различны, чтобы иметь условные названия. Основными формами упругого рассеяния света (включая незначительную передачу энергии) являются рассеяние Рэлея и рассеяние Ми. Неупругое рассеяние включает рассеяние Бриллюэна, комбинационное рассеяние, неупругое рентгеновское рассеяние и комптоновское рассеяние.
Рассеяние света является одним из двух основных физических процессы, которые способствуют видимому виду большинства объектов, второй - поглощению. Поверхности, описываемые как белые, своим появлением обязаны многократному рассеянию света внутренними или поверхностными неоднородностями в объекте, например границами прозрачных микроскопических кристаллов, составляющих камень, или микроскопическими волокнами на листе бумаги. В более общем смысле, блеск (или блеск или блеск ) поверхности определяется путем рассеивания. Сильно рассеивающие поверхности описываются как матовые или матовые, в то время как отсутствие рассеяния на поверхности приводит к появлению глянца, как у полированного металла или камня.
Спектральное поглощение, избирательное поглощение определенных цветов, определяет цвет большинства объектов с некоторыми изменениями, вызванными упругим рассеянием. Явный синий цвет вен на коже является типичным примером, когда как спектральное поглощение, так и рассеяние играют важную и сложную роль в окраске. Рассеяние света также может создавать цвет без поглощения, часто оттенки синего, как в случае с небом (рассеяние Рэлея ), человеческим синим радужной оболочкой и перьями некоторых птиц (Prum et al.. 1998). Однако резонансное рассеяние света в наночастицах может давать много различных сильно насыщенных и ярких оттенков, особенно когда задействован поверхностный плазмонный резонанс (Roqué et al. 2006).
Модели рассеяния света можно разделить на три области на основе параметра безразмерного размера α, который определяется как:
где πD p - длина окружности частицы, а λ - длина волны падающего излучения в среде. Исходя из значения α, эти области следующие:
Рэлеевское рассеяние - это процесс, в котором электромагнитное излучение (включая свет) рассеивается небольшим сферическим объемом с различными показателями преломления, такими как частица, пузырь, капля или даже флуктуация плотности. Впервые этот эффект был успешно смоделирован лордом Рэли, от которого он получил свое название. Для применения модели Рэлея сфера должна быть намного меньше по диаметру, чем длина волны (λ) рассеянной волны; обычно берется верхний предел около 1/10 длины волны. В этом режиме размеров точная форма рассеивающего центра обычно не очень важна и часто может рассматриваться как сфера эквивалентного объема. Собственное рассеяние, которому подвергается излучение при прохождении через чистый газ, происходит из-за микроскопических флуктуаций плотности при движении молекул газа, которые обычно достаточно малы по масштабу для применимости модели Рэлея. Этот механизм рассеяния является основной причиной синего цвета неба Земли в ясный день, поскольку более короткие синие длины волн солнечного света, проходящие над головой, рассеиваются сильнее, чем более длинные красные волны, согласно знаменитому соотношению 1 / λ Рэлея. Наряду с поглощением такое рассеяние является основной причиной ослабления излучения атмосферой. Степень рассеяния изменяется в зависимости от отношения диаметра частицы к длине волны излучения, а также от многих других факторов, включая поляризацию, угол и когерентность.
Для больших диаметров, проблема электромагнитного рассеяния сферами была впервые решена Густавом Ми, и поэтому рассеяние сферами, превышающими диапазон Рэлея, обычно известно как рассеяние Ми. В режиме Ми форма центра рассеяния становится гораздо более значимой, и теория хорошо применима только к сферам и, с некоторыми изменениями, сфероидам и эллипсоидам. Решения в замкнутой форме для рассеяния на некоторых других простых формах существуют, но не известно общее решение в замкнутой форме для произвольных форм.
И Ми, и рэлеевское рассеяние считаются процессами упругого рассеяния, в которых энергия (и, следовательно, длина волны и частота) света существенно не изменяется. Однако электромагнитное излучение, рассеянное движущимися центрами рассеяния, действительно претерпевает доплеровский сдвиг, который может быть обнаружен и использован для измерения скорости центра / сек рассеяния с помощью таких методов, как лидар и радар. Этот сдвиг включает небольшое изменение энергии.
При значениях отношения диаметра частицы к длине волны более чем примерно 10 законов геометрической оптики в основном достаточно для описания взаимодействия света с частицей. Теория Ми все еще может использоваться для этих больших сфер, но решение часто становится громоздким в числовом отношении.
Для моделирования рассеяния в случаях, когда модели Рэлея и Ми неприменимы, например, для более крупных частиц неправильной формы, можно использовать множество численных методов. Наиболее распространены методы конечных элементов, которые решают уравнения Максвелла для нахождения распределения рассеянного электромагнитного поля. Существуют сложные программные пакеты, которые позволяют пользователю указывать показатель преломления или индексы рассеивающего элемента в пространстве, создавая 2- или иногда 3-мерную модель структуры. Для относительно больших и сложных структур эти модели обычно требуют значительного времени выполнения на компьютере.
 | Найдите scattering в Викисловаре, бесплатном словаре. |
 | На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с Scattering. |
