粒子散射
瑞利散射和Einstein-Smoluchowski理论仅适用于当散射中心小相对光的波长:这是真实的气体分子和小纯液体密度的波动。即使最原始自然的水域,然而,不是光说,纯和他们总是含有高浓度的颗粒——来自矿物颗粒的土地或底部沉积物,浮游植物、细菌、死细胞和细胞碎片等所有的散射光。粒子发生在自然水域有连续的粒径分布,这大概是夸张,54即粒子的直径大于D 1 / Dg成正比,在g为特定的水体是一个常数,但在不同的水体变化很大从0.7到6。636尽管双曲分布意味着更小的微粒比大的多,不过大部分的粒子横截面积会遇到光在自然水域是由于粒子的直径大于2毫米,636不是小相对于可见光的波长,因此散射行为不同密度波动类型必须预期。较小的粒子,虽然众多,但有一个低散射效率。
一个理论基础预测任何规模的球形粒子的光散射行为是由三重(1908)。的物理基础理论是类似于瑞利,它考虑了振荡建立可极化的身体内入射光场和光线再次辐射(即分散)从身体由于这些振荡。代替(如瑞利理论)将粒子等同于一个偶极子,米氏理论认为添加剂贡献的一系列电和磁多极位于粒子。米氏理论的优点是,它是包罗万象的,非常小的粒子,例如,它会导致相同的预测瑞利理论;缺点是分析表达式是复杂的,不会让自己简单的数值计算。粒子比光的波长,米氏理论预言的大部分散射是前进的方向在小角度的梁轴(图4.1)。一系列的最大值和最小值预计在散射角增加,但这些都是平滑当粒子尺寸存在的混合物。
在粒子的情况下比一些波长的光,散射的机理有一定的了解的基础上可以获得衍射几何光学,无追索权电磁理论。当一个对象被一个平面光波,屏幕上的物体的影子放在不精确定义:在这一系列同心微弱的黑暗乐队将出现;和更轻的同心乐队,显然正在下降,将出现在几何阴影的面积。-衍射这一现象是由于干扰(在黑暗中破坏性的戒指,建设性的光戒指)波来自不同部分之间的点照明对象的边缘,同时到达但的阶段(因为不同距离的遍历)在特定的点在屏幕上。在圆形物体的情况下,叠加在圆形阴影,中间有一个亮点,交替黑暗与光明环包围。事实上大部分的粒子传播光衍射的前进方向在一个小的初始方向角梁(导致亮点)。与轴的角距离增加,衍射强度经过一系列的最小值和最大值(黑暗与光明环),逐步降低的高度。
应用几何光学这些较大的粒子,它随时可以欣赏一些光将反映在外部表面,有些人会通过粒子和经过折射,或内部反射和折射(图4.2)。在所有情况下的光子
散射角
图4.1角分布的散射强度从透明的球体从米氏理论计算(阿什利和柯布,1958)或传输和反射的基础上,或衍射、透射和反射(Hod-kinson另一则,1963)。粒子有一个折射率(相对于周围介质)的1.20,和直径5到12倍波长的光。Hodkinson后另一则(1963)。
散射角
图4.1角分布的散射强度从透明的球体从米氏理论计算(阿什利和柯布,1958)或传输和反射的基础上,或衍射、透射和反射(Hod-kinson另一则,1963)。粒子的折射率(相对于周围介质)的1.20,和直径5到12倍波长的光。Hodkinson后另一则(1963)。
涉及将偏离最初的方向,即会分散。光散射主要通过这些机制仍在前进方向:散射强度减少不断增加的角度但不显示相同程度的浓度一样在小角度散射由于衍射。Hod-kinson计算,另一则(1963)球形颗粒的悬浮液混合大小显示,多数在小角度散射(约10°15°)可以归因于衍射,而大多数大角度的散射是由于外部反射和折射传输(图4.1)。散射角变化的基础上计算衍射几何光学是相当接近
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图4.2由粒子散射光的反射和折射过程。
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图4.2由粒子散射光的反射和折射过程。
米氏派生的电磁理论。等差异的存在可能很大程度上是由于这一事实,由于相变诱导在传播射线通过更高的折射率的介质,有额外的衍射和透射光之间的干涉效应:1395这一现象被称为反常衍射。
任何粒子束光散射一定比例的梁和辐射通量分布将相当于在一定入射电子束的横截面积。这个区域是粒子的散射截面。Qscat效率因素散射,散射截面的几何横截面积除以粒子(pr2的球形颗粒半径r)。同样,粒子的吸收,吸收的辐射通量相当于在一定入射电子束的横截面积:这个区域吸收截面的粒子。Qabs吸收的效率因素,吸收截面除以几何粒子的横截面积。效率的因素,Qatt衰减(吸收和散射因此由组合)
粒子的效率衰减可以大于统一:即,一个粒子可以影响更多的光在入射电子束的行为比将截获的几何截面。吸收和散射分别可以如此:即是可能的一个粒子吸收,或分散,比它的几何截面会拦截更多的光。电磁理论而言,我们可以说,粒子可以扰乱电磁场远远超出自己的物理边界。米氏理论,因为它是基于电磁学,可以使用
Qatt - Qscatt + Qabs
0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5颗粒直径(嗯)
图4.3不吸收球形粒子的散射效率的函数的大小。粒子的折射率,相对于水,1.17。波长= 550海里。连续线,Qscatt单粒子,计算使用的方程Van de Hulst》(1957)——看到文本。折线,散射系数(b)悬浮粒子包含1 g m3。
0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5粒径(嗯)
图4.3不吸收球形粒子的散射效率的函数的大小。粒子的折射率,相对于水,1.17。波长= 550海里。连续线,Qscatt单粒子,计算使用的方程Van de Hulst》(1957)——看到文本。折线,散射系数(b)悬浮粒子包含1 g m3。
计算粒子的吸收和散射效率。的简单的反常衍射理论van de Hulst(1957)也可以用来计算粒子的散射效率与折射率对周围介质的两倍。的关系是
4个4
在p = (4 na / X) (m - 1), m的折射率粒子相对于周围介质的,和一个粒子的半径。不吸收粒子,Qscatt = Qatt。图4.3显示的方式散射效率的绿灯球面不吸收粒子相对于水的折射率为1.17(典型值为无机粒子在自然水域),随粒子的大小。可以看出,散射效率急剧上升从非常低的值非常小的颗粒的直径约3.2 1.6毫米。随着直径的增加,先增加然后减少又经历了一系列的振动振幅递减平整的Qscatt值2.0非常大的粒子。类似的一般模式的变化Qscatt大小将展出任何散射粒子类型在自然水域发现的光合作用中的任何波长范围。
作为散射直径减少低于最优(如在图4.3)1.6毫米向下,所以效率单粒子减少。然而,对于一个给定的单位体积质量的粒子,粒子的数量单位体积必须随着粒径减小而增加。因此确定感兴趣的悬浮粒子的散射系数的固定按重量浓度随粒子的大小。这样的结果计算粒子的密度范围的典型粘土矿物的浓度通用1 ~ 3图4.3所示。正如所预期的,因为增加的粒子数与直径减小,同时总散射的悬架,用b的值来表示,并没有降低与减少直径猛进地低于最优,单粒子散射效率的最佳粒径悬浮散射(~ 1.1毫米)低于单粒子散射(^ 1.6毫米)。随着粒径的增加超出了最佳因此散射的悬浮显示了进步减少到非常低的值,只有小,阻尼,振荡的振荡在Qscatt个人particles.707
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