Рассеяние - Scattering

Рассеяние
Рассеяние электронов
Диаграмма Фейнмана рассеяния между двумя электронами путем испускания виртуального фотон

Рассеяние это термин, используемый в физике для описания широкого спектра физических процессов, в которых движутся частицы или излучение в той или иной форме, например свет или звук, вынужден отклониться от прямой траектория локализованными неоднородностями (включая частицы и излучение) в среде, через которую они проходят. При обычном использовании это также включает отклонение отраженного излучения от угла, предсказываемого закон отражения. Отражения излучения, испытывающие рассеяние, часто называют диффузные отражения а неотраженные отражения называются зеркальный (зеркальные) отражения. Первоначально термин ограничивался рассеянием света (по крайней мере, до Исаак Ньютон в 17 веке[1]). По мере того, как было обнаружено все больше «лучевых» явлений, идея рассеяния была распространена на них, так что Уильям Гершель может относиться к рассеянию «тепловых лучей» (не считавшихся тогда электромагнитными по природе) в 1800 году.[2] Джон Тиндалл, пионер в исследованиях рассеяния света, отметил связь между рассеянием света и рассеянием звука в 1870-х годах.[3] Ближе к концу XIX века рассеяние катодные лучи (электронные лучи)[4] и рентгеновские лучи[5] наблюдались и обсуждались. С открытием субатомных частиц (например, Эрнест Резерфорд в 1911 г.[6]) и развитие квантовой теории в 20-м веке, смысл этого термина стал шире, поскольку было признано, что те же самые математические основы, используемые при рассеянии света, могут быть применены ко многим другим явлениям.

Таким образом, рассеяние относится к столкновения частиц между молекулами, атомами, электроны, фотоны и другие частицы. Примеры включают: космический луч рассеяние в верхних слоях атмосферы Земли; столкновения частиц внутри ускорители частиц; рассеяние электронов атомами газа в люминесцентных лампах; и рассеяние нейтронов внутри ядерные реакторы.

Типы неоднородностей, которые могут вызвать рассеяние, иногда называемые рассеиватели или центры рассеяния, слишком много, чтобы перечислить, но небольшая выборка включает частицы, пузыри, капли, плотность колебания в жидкости, кристаллиты в поликристаллический твердые тела, дефекты в монокристаллический твердые вещества шероховатость поверхности, клетки в организмах и текстиле волокна в одежде. Влияние таких особенностей на путь практически любого типа распространяющейся волны или движущейся частицы можно описать в рамках теория рассеяния.

Некоторые области, в которых рассеяние и теория рассеяния имеют большое значение, включают радиолокационное зондирование, медицинский ультразвук, полупроводниковая пластина осмотр полимеризация мониторинг процесса, акустическая облицовка, коммуникации в свободном пространстве и компьютерные изображения. Теория рассеяния частиц на частицах важна в таких областях, как физика элементарных частиц, атомная, молекулярная и оптическая физика, ядерная физика и астрофизика. В Физика элементарных частиц квантовое взаимодействие и рассеяние элементарных частиц описывается Матрицей рассеяния или S-матрица, представленный и разработанный Джон Арчибальд Уиллер и Вернер Гейзенберг.[7]

Рассеивание количественно оценивается с использованием множества различных концепций, включая сечение рассеяния (σ), коэффициенты затухания, то функция распределения двунаправленного рассеяния (BSDF), S-матрицы, и длина свободного пробега.


Однократное и многократное рассеяние

Зодиакальный свет это слабое диффузное свечение, видимое в ночное небо. Это явление проистекает из рассеяние из Солнечный лучик от межпланетная пыль Распространить повсюду самолет из Солнечная система.[8]

Когда излучение рассеивается только одним локализованным центром рассеяния, это называется однократное рассеяние. Очень часто центры рассеяния группируются; в таких случаях излучение может рассеиваться во много раз, что называется многократное рассеяние [9]. 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 можно хорошо смоделировать с помощью теория диффузии.

Поскольку расположение одиночного центра рассеяния обычно не очень хорошо известно относительно пути излучения, результат, который имеет тенденцию сильно зависеть от точной входящей траектории, кажется наблюдателю случайным. 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 по большому количеству событий рассеяния, так что конечный путь излучения оказывается детерминированным распределением интенсивности. Это подтверждается луч света проходя через толстый туман. Многократное рассеяние очень похоже на распространение, а условия многократное рассеяние и распространение взаимозаменяемы во многих контекстах. Таким образом, оптические элементы, обеспечивающие многократное рассеяние, известны как диффузоры. Когерентное обратное рассеяние, усиление обратное рассеяние возникающее при многократном рассеянии когерентного излучения случайной средой, обычно приписывают слабая локализация.

Однако не все однократное рассеяние является случайным. Хорошо управляемый лазерный луч может быть точно расположен так, чтобы, например, рассеивать микроскопические частицы с детерминированным результатом. Такие ситуации встречаются в радар также рассеяние, когда целями обычно являются макроскопические объекты, такие как люди или самолеты.

Точно так же многократное рассеяние иногда может иметь несколько случайные результаты, особенно в случае когерентного излучения. Случайные флуктуации многократно рассеянной интенсивности когерентного излучения называются крапинки. 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 дуальность волна-частица.

Теория

Основная статья: Теория рассеяния

Теория рассеяния - это основа для изучения и понимания рассеяния волны и частицы. Прозаически рассеяние волн соответствует столкновению и рассеянию волны с некоторым материальным объектом, например (солнечный свет), рассеянным капли дождя сформировать радуга. Рассеяние включает также взаимодействие бильярдные шары на столе Резерфордское рассеяние (или изменение угла) альфа-частицы от золото ядра, брэгговское рассеяние (или дифракция) электронов и рентгеновских лучей на кластере атомов, и неупругое рассеяние осколка деления, когда он проходит через тонкую фольгу. Точнее, рассеяние состоит в изучении того, как решения уравнения в частных производных, свободно распространяющиеся «в далеком прошлом», объединяются и взаимодействуют друг с другом или с граничное условие, а затем уйти «в далекое будущее».

Электромагнетизм

А Диаграмма Фейнмана рассеяния между двумя электронами путем испускания виртуального фотон.

Электромагнитные волны являются одними из наиболее известных и наиболее часто встречающихся форм излучения, которые подвергаются рассеянию [10]. Рассеяние света и радиоволн (особенно в радар ) особенно важно. Несколько различных аспектов электромагнитного рассеяния достаточно различны, чтобы иметь условные названия. Основные формы упругого рассеяния света (с пренебрежимо малой передачей энергии): Рэлеевское рассеяние и Рассеяние Ми. Неупругое рассеяние включает Рассеяние Бриллюэна, Рамановское рассеяние, неэластичный Рентгеновский рассеяние и Комптоновское рассеяние.

Рассеяние света - один из двух основных физических процессов, которые влияют на внешний вид большинства объектов, второй - поглощение. Поверхности, описанные как белый своим появлением обязаны многократному рассеянию света внутренними или поверхностными неоднородностями объекта, например границами прозрачных микроскопических кристаллов, из которых состоит камень, или микроскопическими волокнами на листе бумаги. В более общем плане блеск (или блеск или сиять ) поверхности определяется рассеянием. Сильно рассеивающие поверхности описываются как матовые или матовые, в то время как отсутствие рассеивания на поверхности приводит к глянцевому виду, как у полированного металла или камня.

Спектральное поглощение, избирательное поглощение определенных цветов, определяет цвет большинства объектов с некоторыми изменениями упругое рассеяние. Явный синий цвет вены в коже - распространенный пример, когда спектральное поглощение и рассеяние играют важную и сложную роль в окрашивании. Рассеяние света также может создавать цвета без поглощения, часто оттенки синего, как в случае с небом (Рэлеевское рассеяние ), человек синий Ирис, а также перья некоторых птиц (Prum et al. 1998). Однако резонансное рассеяние света в наночастицы может создавать множество различных насыщенных и ярких оттенков, особенно когда поверхностный плазмонный резонанс участвует (Roqué et al. 2006).

Модели рассеяния света можно разделить на три области на основе безразмерного параметра размера: α который определяется как:

где πDп - окружность частицы и λ - длина волны падающего излучения в среде. Исходя из стоимости α, эти домены:

α ≪ 1: Рэлеевское рассеяние (малая частица по сравнению с длиной волны света);
α ≈ 1: Рассеяние Ми (размер частицы примерно равен длине волны света, действительно только для сфер);
α 1: геометрическое рассеяние (частицы намного больше длины волны света).

Рэлеевское рассеяние представляет собой процесс, при котором электромагнитное излучение (включая свет) рассеивается небольшим сферическим объемом с различными показателями преломления, такими как частица, пузырь, капля или даже флуктуация плотности. Этот эффект был впервые успешно смоделирован Лорд Рэйли, в честь 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 волны солнечного света, проходящие над головой, рассеиваются сильнее, чем более длинные красные волны, согласно знаменитому 1 / Рэлея.λ4 связь. Наряду с поглощением такое рассеяние является основной причиной ослабления излучения атмосфера. Степень рассеяния зависит от отношения диаметра частицы к длине волны излучения, а также от многих других факторов, включая поляризация, угол и согласованность.

Для больших диаметров проблема электромагнитного рассеяния сферами была впервые решена Густав Мие, поэтому рассеяние на сферах больше диапазона Рэлея обычно называют Рассеяние Ми. В режиме Ми форма центра рассеяния становится гораздо более значимой, и теория применима только к сферам и, с некоторыми изменениями, сфероиды и эллипсоиды. Решения в замкнутой форме для рассеяния на некоторых других простых формах существуют, но общее решение в замкнутой форме для произвольных форм неизвестно.

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 испытывает Доплеровский сдвиг, которые могут быть обнаружены и использованы для измерения скорости центра / с рассеяния с помощью таких методов, как лидар и радар. Этот сдвиг включает небольшое изменение энергии.

При значениях отношения диаметра частицы к длине волны более примерно 10 законы геометрическая оптика в большинстве случаев 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 найти распределение рассеянного электромагнитного поля. Существуют сложные программные пакеты, которые позволяют пользователю определять 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.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Ньютон, Исаак (1665). «Письмо г-на Исаака Ньютона, содержащее его новую теорию света и цветов». Философские труды. Лондонское королевское общество. 6: 3087.
  2. ^ Гершель, Уильям (1800). "Эксперименты с солнечными и земными лучами, вызывающими жару". Философские труды. Лондонское королевское общество. XC: 770.
  3. ^ Тиндаль, Джон (1874). «Об атмосфере как носителе звука». Философские труды Лондонского королевского общества. 164: 221.
  4. ^ Мерритт, Эрнест (5 октября 1898 г.). «Магнитное отклонение диффузно отраженных катодных лучей». Электрический обзор. 33 (14): 217.
  5. ^ «Последние работы с Röntgen Rays». Природа. 53 (1383): 613–616. 30 апреля 1896 г.
  6. ^ Резерфорд, Э. (1911). «Рассеяние α- и β-лучей веществом и структура атома». Философский журнал. 6: 21.
  7. ^ Нахтманн, Отто (1990). Физика элементарных частиц: понятия и явления. Springer-Verlag. С. 80–93. ISBN  3-540-50496-6.
  8. ^ "Зодиакальное сияние освещает Паранальное небо". Изображение недели ESO. Европейская южная обсерватория. Получено 2 декабря 2013.
  9. ^ Гонис, Антониос; Уильям Х. Батлер (1999). Многократное рассеяние в твердых телах.. Springer. ISBN  978-0-387-98853-5.
  10. ^ Колтон, Дэвид; Райнер Кресс (1998). Обратная теория акустического и электромагнитного рассеяния. Springer. ISBN  978-3-540-62838-5.

внешние ссылки