Rozptyl - Scattering

Rozptyl je termín používaný ve fyzice k popisu široké škály fyzikálních procesů, kde jsou pohybující se částice nebo záření nějaké formy, jako je světlo nebo zvuk , nuceny odchýlit se od přímé trajektorie lokalizovanými nerovnoměrnostmi (včetně částic a záření) v médium, kterým procházejí. Při běžném použití to zahrnuje také odchylku odraženého záření od úhlu předpovězeného zákonem odrazu . Odrazy záření, které prochází rozptylem, se často nazývají rozptýlené odrazy a nerozptýlené odrazy se nazývají zrcadlové (zrcadlové) odrazy. Původně se tento termín omezoval na rozptyl světla (vrací se přinejmenším k Isaacovi Newtonovi v 17. století). Když bylo objeveno více „paprskových“ jevů, rozšířila se na ně myšlenka rozptylu, takže William Herschel mohl v roce 1800 odkazovat na rozptyl „tepelných paprsků“ (které v té době nebyly uznány jako elektromagnetické). John Tyndall , a průkopník výzkumu rozptylu světla, zaznamenal v 70. letech 19. století souvislost mezi rozptylem světla a akustickým rozptylem. Ke konci 19. století byl pozorován a diskutován rozptyl katodových paprsků (elektronových paprsků) a rentgenových paprsků. S objevem subatomárních částic (např. Ernest Rutherford v roce 1911) a rozvojem kvantové teorie ve 20. století se význam tohoto pojmu rozšířil, protože bylo zjištěno, že stejné matematické rámce používané při rozptylu světla lze aplikovat na mnoho dalších jevy.

Rozptyl tedy označuje srážky částice-částice mezi molekulami, atomy, elektrony , fotony a jinými částicemi. Mezi příklady patří: rozptyl kosmického záření v horních vrstvách atmosféry Země; srážky částic uvnitř urychlovačů částic ; rozptyl elektronů atomy plynu ve zářivkách; a rozptyl neutronů uvnitř jaderných reaktorů .

Druhy nerovnoměrnosti, které mohou způsobit rozptyl, někdy známé jako rozptylovače nebo rozptylovací centra , jsou příliš velké na to, aby byly uvedeny, ale malý vzorek obsahuje částice , bubliny , kapičky , fluktuace hustoty tekutin , krystaly v polykrystalických pevných látkách, defekty v monokrystalických pevných látkách , drsnost povrchu , buňky v organismech a textilní vlákna v oděvu. Účinky těchto znaků na dráhu téměř jakéhokoli typu šířící se vlny nebo pohybující se částice lze popsat v rámci teorie rozptylu .

Některé oblasti, kde jsou rozptyl a teorie rozptylu významné, zahrnují snímání radarem, lékařský ultrazvuk , kontrolu polovodičových destiček , monitorování polymeračního procesu, akustické obklady, komunikaci ve volném prostoru a snímky generované počítačem . Teorie rozptylu částic-částic je důležitá v oblastech, jako je fyzika částic , atomová, molekulární a optická fyzika , jaderná fyzika a astrofyzika . Ve fyzice částic kvantovou interakci a rozptyl základních částic popisuje Scattering Matrix nebo S-Matrix , které představili a vyvinuli John Archibald Wheeler a Werner Heisenberg .

Rozptyl je kvantifikován pomocí mnoha různých konceptů, včetně rozptylu průřezu (σ), útlumových koeficientů , funkce obousměrného rozptylu rozptylu (BSDF), S-matic a střední volné dráhy .

Jednoduchý a vícenásobný rozptyl

Zvěrokruhové světlo je slabá, rozptýlená záře viditelná na noční obloze . Tento jev vyplývá z rozptylu ze slunečního světla od meziplanetárního prachu rozšiřování po celé rovině na sluneční soustavy .

Když je záření rozptýleno pouze jedním lokalizovaným rozptylovým centrem, nazývá se to jediný rozptyl . Je velmi běžné, že jsou rozptylová centra seskupena; v takových případech se záření může rozptýlit mnohokrát, což se nazývá vícenásobný rozptyl . Hlavní rozdíl mezi účinky jednoduchého a vícenásobného rozptylu spočívá v tom, že jediný rozptyl lze obvykle považovat za náhodný jev, zatímco vícenásobný rozptyl, poněkud neintuitivně, lze modelovat jako více deterministický proces, protože kombinované výsledky velkého počtu rozptylových událostí mají tendenci průměrovat. Vícenásobný rozptyl lze tedy často dobře modelovat pomocí teorie difúze .

Protože umístění jediného rozptylového středu není obvykle dobře známé vzhledem k dráze záření, výsledek, který má tendenci silně záviset na přesné příchozí trajektorii, se zdá pozorovateli náhodný. Příkladem tohoto typu rozptylu je elektron vystřelený na atomové jádro. V tomto případě není přesná poloha atomu vzhledem k dráze elektronu známa a byla by neměřitelná, takže nelze předpovědět přesnou trajektorii elektronu po srážce. Jediný rozptyl je proto často popsán rozdělení pravděpodobnosti.

S vícenásobným rozptylem má náhodnost interakce tendenci být zprůměrována velkým počtem rozptylových událostí, takže konečná cesta záření se jeví jako deterministické rozložení intenzity. Příkladem toho je světelný paprsek procházející hustou mlhou . Vícenásobný rozptyl je vysoce analogický s difúzí a termíny vícenásobný rozptyl a difúze jsou v mnoha kontextech zaměnitelné. Optické prvky určené k produkci vícenásobného rozptylu jsou tedy známé jako difuzory . Koherentní zpětný rozptyl , vylepšení zpětného rozptylu , ke kterému dochází, když je koherentní záření více rozptýleno náhodným médiem, se obvykle připisuje slabé lokalizaci .

Ne všechny jednotlivé rozptyly jsou však náhodné. Dobře kontrolovaný laserový paprsek lze přesně umístit, aby například rozptýlil mikroskopickou částici s deterministickým výsledkem. S takovými situacemi se setkáváme také při rozptylu radaru , kde cílem bývají makroskopické objekty, jako jsou lidé nebo letadla.

Podobně může mít vícenásobný rozptyl někdy poněkud náhodné výsledky, zejména u koherentního záření. Náhodné fluktuace v mnohonásobně rozptýlené intenzitě koherentního záření se nazývají tečky . Speckle také nastane, pokud více částí koherentní vlny rozptýlí z různých center. Za určitých vzácných okolností může vícenásobný rozptyl zahrnovat pouze malý počet interakcí, takže náhodnost není zcela zprůměrována. Tyto systémy jsou považovány za jedny z nejobtížnějších k přesnému modelování.

Popis rozptylu a rozdíl mezi jednoduchým a vícenásobným rozptylem úzce souvisí s dualitou vln-částic .

Teorie

Teorie rozptylu je rámec pro studium a porozumění rozptylu vln a částic . Prozaicky odpovídá rozptyl vln srážce a rozptylu vlny s nějakým hmotným objektem, například (slunečním zářením) rozptýleným dešťovými kapkami za vzniku duhy . Rozptyl také zahrnuje interakce kulečníkové koule na stole je Rutherford rozptyl (nebo změna úhlu) z částic alfa od zlatých jader se Bragg rozptylu (nebo difrakční) elektronů a rentgenového záření o shluku atomů, a nepružného rozptylu štěpného fragmentu, když prochází tenkou fólií. Přesněji řečeno, rozptyl spočívá ve studiu toho, jak se řešení parciálních diferenciálních rovnic , která se volně šíří „ve vzdálené minulosti“, spojují a interagují s sebou nebo s okrajovou podmínkou a poté se šíří „do vzdálené budoucnosti“.

Elektromagnetické pole

Feynman diagram rozptylu mezi dvěma elektrony emisemi virtuálního fotonu .

Elektromagnetické vlny jsou jednou z nejznámějších a nejčastěji se vyskytujících forem záření, které procházejí rozptylem. Rozptyl světla a rádiových vln (zejména v radaru ) je obzvláště důležitý. Několik různých aspektů elektromagnetického rozptylu je natolik odlišných, že mají konvenční názvy. Hlavní formy elastického rozptylu světla (zahrnující zanedbatelný přenos energie) jsou Rayleighův rozptyl a Mieův rozptyl . Neelastický rozptyl zahrnuje Brillouinův rozptyl , Ramanův rozptyl , nepružný rentgenový rozptyl a Comptonův rozptyl .

Rozptyl světla je jedním ze dvou hlavních fyzikálních procesů, které přispívají k viditelnému vzhledu většiny objektů, druhým je absorpce. Povrchy popsané jako bílé vděčí za svůj vzhled mnohonásobnému rozptylu světla vnitřními nebo povrchovými nehomogenitami v objektu, například hranicemi průhledných mikroskopických krystalů, které tvoří kámen, nebo mikroskopickými vlákny v listu papíru. Obecněji je lesk (nebo lesk nebo lesk ) povrchu určen rozptylem. Povrchy s vysokým rozptylem jsou popsány jako matné nebo s matným povrchem, zatímco absence rozptylu povrchu vede k lesklému vzhledu, jako u leštěného kovu nebo kamene.

Spektrální absorpce, selektivní absorpce určitých barev, určuje barvu většiny objektů s určitými úpravami elastickým rozptylem . Zjevná modrá barva žil v kůži je běžným příkladem, kdy spektrální absorpce a rozptyl hrají v zabarvení důležitou a složitou roli. Rozptyl světla může také vytvářet barvu bez absorpce, často odstíny modré, jako u oblohy ( Rayleighův rozptyl ), lidské modré duhovky a peří některých ptáků (Prum et al. 1998). Rozptyl rezonančního světla v nanočásticích však může produkovat mnoho různých vysoce nasycených a zářivých odstínů, zvláště když se jedná o povrchovou rezonanci plazmonu (Roqué et al. 2006).

Modely rozptylu světla lze rozdělit do tří domén na základě bezrozměrného parametru velikosti, α, který je definován jako:

kde π D p je obvod částice a λ je vlnová délka dopadajícího záření v médiu. Na základě hodnoty α jsou tyto domény:

α ≪ 1: Rayleighův rozptyl (malé částice ve srovnání s vlnovou délkou světla);
α ≈ 1: Mieův rozptyl (částice přibližně stejné velikosti jako vlnová délka světla, platí pouze pro koule);
α ≫ 1: geometrický rozptyl (částice mnohem větší než vlnová délka světla).

Rayleighův rozptyl je proces, při kterém je elektromagnetické záření (včetně světla) rozptýleno malým sférickým objemem variantních indexů lomu, jako jsou částice, bubliny, kapičky nebo dokonce kolísání hustoty. Tento efekt poprvé úspěšně vymodeloval lord Rayleigh , od kterého dostal své jméno. Aby mohl Rayleighův model platit, musí mít koule mnohem menší průměr, než je vlnová délka ( λ ) rozptýlené vlny; obvykle se horní limit považuje za asi 1/10 vlnové délky. V tomto režimu velikosti není přesný tvar rozptylového středu obvykle příliš významný a lze jej často považovat za sféru ekvivalentního objemu. Vlastní rozptyl, kterému záření prochází procházením čistým plynem, je způsoben fluktuacemi mikroskopické hustoty při pohybu molekul plynu, které jsou obvykle dostatečně malé na to, aby se mohl použít Rayleighův model. Tento rozptylový mechanismus je primární příčinou modré barvy zemské oblohy za jasného dne, protože kratší modré vlnové délky slunečního světla procházejícího nad hlavou jsou silněji rozptýleny než delší červené vlnové délky podle slavného Rayleighova vztahu 1 / λ 4 . Spolu s absorpcí je takový rozptyl hlavní příčinou útlumu záření atmosférou . Stupeň rozptylu se mění v závislosti na poměru průměru částic k vlnové délce záření, spolu s mnoha dalšími faktory, včetně polarizace , úhlu a koherence .

U větších průměrů nejprve problém elektromagnetického rozptylu koulmi vyřešil Gustav Mie a rozptyl koulí větších než Rayleighův rozsah je proto obvykle znám jako Mieho rozptyl . V režimu Mie se tvar rozptylového centra stává mnohem významnějším a teorie se dobře uplatňuje pouze na sféry a s určitými modifikacemi na sféroidy a elipsoidy . Existují uzavřená řešení pro rozptyl určitými jinými jednoduchými tvary, ale pro libovolné tvary není známo žádné obecné řešení v uzavřeném tvaru.

Jak Mie, tak Rayleighův rozptyl jsou považovány za procesy elastického rozptylu, při nichž se energie (a tedy vlnová délka a frekvence) světla podstatně nezmění. Elektromagnetické záření rozptýlené pohybujícími se rozptylovými centry však prochází Dopplerovým posunem , který lze detekovat a použít k měření rychlosti rozptylovacích center ve formách technik, jako je lidar a radar . Tento posun zahrnuje mírnou změnu energie.

Při hodnotách poměru průměru částice k vlnové délce více než asi 10 jsou zákony geometrické optiky většinou dostatečné k popisu interakce světla s částicemi. Teorie Mie může být stále použita pro tyto větší sféry, ale řešení se často stává numericky nepraktickým.

Pro modelování rozptylu v případech, kdy modely Rayleigh a Mie neplatí, jako jsou větší částice nepravidelného tvaru, lze použít mnoho numerických metod. Nejběžnější jsou metody konečných prvků, které řeší Maxwellovy rovnice, aby zjistily distribuci rozptýleného elektromagnetického pole. Existují sofistikované softwarové balíčky, které uživateli umožňují specifikovat index lomu nebo indexy rozptylového prvku v prostoru a vytvořit tak 2 nebo někdy 3-dimenzionální model struktury. U relativně velkých a složitých struktur tyto modely obvykle vyžadují značné doby provedení v počítači.

Elektroforéza zahrnuje migraci makromolekul pod vlivem elektrického pole. Elektroforetický rozptyl světla zahrnuje průchod elektrického pole kapalinou, která umožňuje pohyb částic. Čím větší je náboj na částicích, tím rychleji se mohou pohybovat.

Viz také

Reference

externí odkazy