Вопрос 3. 23 минут. Рассеяние света мутными средами. Нефелометрия.

Рассеянием света называют явление, при котором распространяющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозможным направлениям. Необходимое условие для возникновения рассеяния света - наличие оптических неоднородностей, то есть областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.

Различают два основных вида таких неоднородностей:

1) наличие в однородном прозрачном веществе мелких инородных частиц. Такие среды являются мутными: дым (твердые частицы в газе), туман (капельки жидкости в газе), взвеси, эмульсии, твердые тела вроде перламутра, опалов, молочных стекол и так далее. Рассеяние света в мутных средах называют явлением Тиндаля;

2) оптические неоднородности, возникающие в чистом веществе из-за статического отклонения молекул от равномерного распределения (флуктуации плотности). Это впервые установили Л.И.Мандельштам и М.Смолуховский. Рассеяние света на неоднородностях этого типа называют молекулярным; например, рассеяние света в атмосфере.

Уменьшение интенсивности света вследствие рассеяния, как и при поглощении, описывают при помощи показательной функции:

, (7)

где k - показатель рассеяния.

При совместном поглощении и рассеянии света в веществе ослабление интенсивности также является показательной функцией:

, (8)

где  - показатель ослабления,  =  + k.

Английский физик Релей в конце XIX века установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднородностях, приблизительно меньших 0,2, а также при молекулярном рассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Релея):

I  . (9)

Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба. Непрерывно возникающие в атмосфере, вследствие беспорядочного движения молекул, места сгущения и разрежения воздуха рассеивают солнечный свет. При этом, согласно закону Релея, голубые и синие лучи рассеиваются сильнее, чем желтые и красные, обусловливая голубой цвет неба. Когда Солнце находится низко над горизонтом, распространяющиеся непосредственно от него лучи проходят большую толщину рассеивающей среды, в результате чего они оказываются обогащенными большими длинами волн. По этой причине небо на заре (закате) окрашивается в красные тона. Меньшее рассеяние красных лучей используют в сигнализации (опознавательные огни).

Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и другое приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях, форме частиц и так далее. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы - нефелометрами.