Рассеяние электромагнитных волн

Когда электромагнитная волна встречается с объектом, она индуцирует осциллирующие заряды, которые переизлучают, рассеивая волну в новых направлениях.

Definition

Электромагнитное рассеяние — это процесс, при котором падающая волна индуцирует осциллирующие заряды и токи в объекте, которые переизлучают волну в других направлениях, характеризующийся сечениями и угловыми распределениями, зависящими от размера объекта относительно длины волны и его электромагнитных свойств.

Scope

Эта тема охватывает рассеяние электромагнитных волн частицами и препятствиями: сечения рассеяния и поглощения, рэлеевское рассеяние частицами, значительно меньшими длины волны, рассеяние Ми частицами, сопоставимыми с длиной волны, оптическая теорема и зависимость рассеяния от размера, формы и показателя преломления. Она связывает падающие волны с излучением, переизлучаемым индуцированными токами.

Core questions

• Как объект переизлучает падающую электромагнитную волну?
• Почему рэлеевское рассеяние благоприятствует коротким длинам волн?
• Как изменяется рассеяние, когда размер частицы приближается к длине волны?

Key concepts

• сечение рассеяния
• сечение поглощения
• рэлеевское рассеяние
• рассеяние Ми
• оптическая теорема
• индуцированный диполь
• дифференциальное сечение

Key theories

Рэлеевское рассеяние

Для частиц, значительно меньших длины волны, индуцированный диполь переизлучает с интенсивностью, пропорциональной обратной четвертой степени длины волны, что объясняет синий цвет неба.

Рассеяние Ми

Для частиц, сопоставимых с длиной волны, полное решение уравнений Максвелла для сферы дает ряд Ми, со сложными угловыми картинами и резонансами, зависящими от размера и показателя преломления.

Clinical relevance

Теория рассеяния объясняет цвет и поляризацию неба, атмосферное дистанционное зондирование и лидар, эффективные площади рассеяния радаров, рассеяние света, используемое для определения размеров частиц и изучения аэрозолей и коллоидов, а также оптическую диагностику в биологических тканях.

History

Рэлей объяснил голубое небо рассеянием на мелких частицах в 1870-х годах. Лоренц и, независимо, Ми в 1908 году решили задачу рассеяния на сфере произвольного размера, предоставив основу, которая теперь является центральной для оптики аэрозолей, коллоидов и атмосферы.

Key figures

• John William Strutt (Lord Rayleigh)
• Gustav Mie
• Ludvig Lorenz

Seminal works

• mie1908
• bohren1983

Frequently asked questions

Почему небо голубое?

Молекулы воздуха рассеивают солнечный свет посредством рэлеевского рассеяния, которое значительно сильнее для коротких (синих) длин волн, чем для длинных (красных), поэтому рассеянный свет, достигающий нас с неба, преимущественно синий.

В чем разница между рэлеевским рассеянием и рассеянием Ми?

Рэлеевское рассеяние применимо к частицам, значительно меньшим длины волны, и сильно зависит от длины волны, тогда как рассеяние Ми применимо к частицам, сопоставимым с длиной волны, и создает более сложные, менее чувствительные к длине волны картины, как, например, в случае капель воды в облаках.