8.1. Жарықтың шашырауы. Релей заңы

Көптеген тәжірибелік деректер бойынша жарық оптикалық біртекті ортада түзу сызықты таралады. Гюйгенстің, Ферманың және т.б.. принциптерінен де дәл осындай қорытынды жасалады. Егер ортада оптикалық біртекті еместіктер пайда болса, онда бұлар жарықтың шашырауын туғызады.

Оптикалық біртекті еместіктер әртүрлі себептерден пайда болуы мүмкін. Мысалы, газдағы бөгде заттың қатты бөлшектері (түтін), ауадағы сұйықтың (судың) тамшылары (тұман), сұйықтағы бөгде қатты заттың бөлшектері (суспензия) және т.б. орталарды оптикалық біртекті емес етеді. Осындай оптикалық біртекті емес орталарды бұлдыр (лай) орталар (мутные среды) деп атау қабылданған.

Тәжірибеге қарағанда жарық бөгде қоспалары жоқ мөлдір біртекті (таза) орталар арқылы таралған жағдайда да шашырайды екен. Осындай шашырау – біртекті (таза) орталардағы шашырау – жарықтың молекулалық шашырауы деп аталады.

Жарықтың шашырау құбылысына бұдан кейінгі зерттеулер нәтижесінде пайда болу механизмі бойынша және барлық басқа белгілері бойынша жарықтың бұлдыр орталардағы және жарықтың молекулалық шашырауынан өзгеше шашыраудың болатындығы анықталды. Бұл – жарықтың комбинациялық шашырауы.

7.3.1 Шашырау процестерінің табиғаты

Шашырау табиғаты. Ортаның құрамына ортаны құрайтын негізгі заттың молекулалары немесе атомдары және бөгде бөлшектер (тозаңдар, су тамшылары және т.б.) кіреді. Молекулалардың мөлшері болса, ал бұдан молекулалардың бірігуінен құралған бөгде бөлшектер – мыңдаған және он мыңдаған есе үлкен болады.

Жарықтың шашырау процесінде молекула немесе бөлшек ортада таралатын электромагниттік толқыннан энергия қабылдап алып, осы энергияны төбесі молекулада немесе бөлшекте болатын денелік бұрышқа шығарады. Осы мағынада жарықты молекуланың немесе орасан көп молекулалардан тұратын бөлшектің шашыратуы бірдей іске асырылады, тек бұлардың сәулені қайта шығару механизмдерінде айырмашылық болады.

Егер орта үздіксіз деп қарастырылатын болса, онда ортаның оптикалық біртекті еместіктері шашырату көзі ролін атқарады. Осы жағдайда ортаның сыну көрсеткіші бір нүктеден екінші нүктеге көшкенде өзгеріп отырады, ал шашырау болатын аймақтардың «мөлшерлерің сыну көрсеткішінің әдеуір өзгерісі іске асатын қашықтықтармен анықталады. Өзінің физикалық мазмұны бойынша шашырау ортаның біртекті еместіктерінде толқынның дифракциялануы болып табылады.

Шашыраудың түрлері. Шашырау сипаты ең алдымен толқын ұзындығы мен бөлшектер мөлшерінің ара қатысына тәуелді болады. Егер бөлшектің сызықтық мөлшерлері толқын ұзындығына қарағанда шамамен кіші болса, онда шашырау осы шашырау түрін зерттеген Д.У. Рэлейдің (1842-1919) құрметінерэлейше шашырау деп аталады.

Бөлшектердің мөлшерлері үлкен болғандағы шашырауды Ми шашырауы деп атайды. Ми алғаш (1908) дамытқан теория сфералық бөлшектерге ғана қатысты болғанымен «Ми шашырауың термині пішіні дұрыс емес бөлшектер үшін де қолданылады. Кіші бөлшектер үшін Ми теориясы Рэлей теориясының нәтижелеріне алып келеді. Оптикалық біртекті еместіктің маңызды дербес жағдайы дыбыс толқыны таралатын ортаның оптикалық қасиеттерінің біртекті еместігі болып табылады. Осының нәтижесінде кеңістікте ортаның оптикалық біртекті еместігінің гармоникалық үлестірілуі және оптикалық қасиеттердің уақыт бойынша гармоникалық өзгерісі пайда болады. Оптикалық қасиеттердің кеңістіктік гармоникалық біртекті еместігі нәтижесінде дыбыс толқынында жарықтың дифракциясы байқалады. Оптикалық қасиеттердің уақыт бойынша гармоникалық өзгерісі нәтижесінде ортаның әрбір нүктесінде дифракцияланған жарық жиілігінің өзгерісі байқалады. Дыбыс толқынында дифракцияланған жарықтың жиілігінің осы өзгерісі Мандельштам-Бриллюэн құбылысы деп аталады. Бұл құбылысты бір-бірінен тәуелсіз Л.И. Мандельштам (1879-1944) және Л. Бриллюэн (1889-1969) ашқан.

Молекулалардың кванттық қасиеттері, шашыраған жарық жиілігінің түсетін жарық жиілігіне салыстырғанда өзгеруімен сипатталатын, жарықтың комбинациялық шашырауында білінеді. Осы шашыраудың ерекше кванттық табиғатына байланысты ол жеке топқа жатқызылады.

Көп қайтара шашырау. Бөлшек шашыратқан сәулені өз кезегінде басқа бөлшектің шашыратуы мүмкін және т.т. Осы жағдайда шашырауды көп қайтара шашырау дейді. Бұл әрбір кезекті шашыратуда бір рет шашырату заңдарына сәйкес іске асырылады. Ақырғы нәтиже бір мәрте шашыратулардың нәтижелерін бұлардың бірінен кейін екіншісінің ілесуі статистикалық сипаттамаларын ескеріп қосындылаумен алынады.