Оптика - Годжаев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
2. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой
степени длины волны.
Схема опыта по рассеянию света. Простая схема опыта для исследования
рассеяния света изображена на рис. 13.2. Мощный источник света 5
расположен в фокусе линзы. Падающий на кювету К свет рассеивается
находящимся в ней веществом. Призма Николя служит для обнаружения
поляризации рассеянного света. С целью уничто-
жения паразитных эффектов (световых лучей, отраженных от стенок кюветы)
концы трубок изготовлены в виде рогов, внутренние стенки которых
зачернены для усиления поглощения.
Индикатрисы рассеяния в случаях, когда падающий свет ли-нейно-поляризован
(кривые I-падающий свет линейно-поляри-зован так, что колебание
электрического вектора светового поля происходит в плоскости наблюдения
вдоль оси у, II - электрический вектор колеблется перпендикулярно
плоскости наблюдения вдоль оси г и естественный - кривая III),
представлены на рис. 13.3. Как видно из рис. 13.3: 1) распределение
интенсивности рассеянного света симметрично относительно плоскостей NN и
ММ; 2) при наблюдении под прямым углом к первичному направлению
распространения рассеянный свет плоскополяризован таким образом, что
колебание электрического вектора происходит перпендикулярно плоскости
наблюдения (вдоль оси г).
Голубой цвет неба. Цвет зари. Второй вывод (I ~ 1/К4), как правило,
называется законом Рэлея. Именно этот закон позволил Рэлею объяснить
голубой цвет неба.
Как видно из формул, I ^ 1/Х4 (закон Рэлея), т. е. чем короче световые
волны, тем сильнее они рассеиваются. Голубой цвет неба, как об этом уже
упомянули, и красный цвет Солнца на восходе и на
N
Рис. 13.2
Рис. 13.3
308
закате объясняются этой закономерностью - обратной пропорциональностью
интенсивности рассеянного света четвертой степени длины светоЕой волны.
Когда Солнце находится выше горизонта, Солнце и звезды видели бы мы ярко
светящимися телами на абсолютно черном небе, если бы не имело места
рассеяние солнечного света. Небо видим светлым (вернее голубым) только
благодаря рассеянию света в атмосфере. Поскольку интенсивность
рассеянного света, согласно закону Рэлея, обратно пропорциональна
четвертой степени длины волны, то более интенсивное рассеяние произойдет
в коротковолновой части видимой области и поэтому небо примет голубой *
оттенок.
В случае, когда Солнце стоит низко над горизонтом, до нас доходят лучи
света Солнца, ослабленные благодаря рассеянию при прохождении сквозь
сравнительно большую толщу атмосферы. Поскольку рассеяние сильнее в
коротковолновой части видимого спектра, то диск Солнца на восходе и на
закате мы видим красным.
Дальнейшие наблюдения показали, что наличие мелких частиц пыли в
атмосфере не может являться единственной причиной голубизны неба и
поляризации света неба. Как стало известно из наблюдений в горных
обсерваториях, чем чище воздух, (т. е. чем меньше присутствует в
атмосфере мелких частиц пыли), тем больше голубизна неба и тем полнее
поляризация света неба. Этот факт послужил основанием Рэлею еще раз
вернуться к задаче рассеяния света в атмосфере и объяснить голубой цвет
неба молекулярной структурой воздуха. На этот раз Рэлей в основу своей
теории положил тот факт, что рассеяние света происходит не на частицах
пыли, а на самих молекулах газов, составляющих воздух. Сущность этой
теории Рэлея излагается в начале следующего параграфа.
§ 2. МОЛЕКУЛЯРНОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В ГАЗАХ
Согласно представлениям Рэлея, рассеяние света однородной газовой средой
объясняется движением молекул ее составляющих. Рэлею было известно, что
распространение плоской волны через однородную среду, состоящую из
неподвижных частиц (молекул),
' не приводит к рассеянию света. Отсутствие рассеяния света в данном
случае обусловлено интерференцией вторичных волн. Постоянство сдвига фаз
между вторичными волнами, исходящими из одинаковых элементов объема,
приводит к взаимному гашению вторичных волн во всех направлениях, кроме
направления распространения, предписанного законом геометрической оптики
**. Чтобы объяснить рассеяние света в газе, Рэлей полагал, что вторичные
волны, излучаемые одинаковыми элементами объема однородной среды (газа),
* Точнее говоря, цвет неба будет обусловлен кроме закона Р>лея также
спектральным составом солнечного излучения и кривой спектральной
чувствительности глаза (функцией видности).
** Доказательство см.: Мандельштам Л. И. Поли. собр. трудов, т. 1, с.
116; Волькенштейн М. В, Молекулярная оптика, с. 200-201, Фабелинский И.
Л. Молекулярное рассеяние света, с 18-19.
309'
являются некогерентными. Согласно Рэлею, некогерентность в данном случае
обусловлена непрерывным беспорядочным движением молекул газа, приводящим
к нарушению фазовых соотношений. Поскольку вторичные волны, исходящие из
одинаковых элементов объема однородного газа, некогерентны (по Рэлею) и
поэтом) интенсивность света рассеянного в газе пропорциональна числу
молекул в единице объема, то можно подсчитать интенсивность рассеяния
