A fény szóródása részecskék által
A részecskék általi fényszórás olyan folyamat , amelyben a kis részecskék (például jégkristályok, porrészecskék, légköri részecskék, kozmikus por) optikai jelenségeket hoznak létre, például szivárványt , kék égboltot , fényudvart .
A Maxwell -egyenletek képezik a fényszóródást leíró elméleti és számítási módszerek alapját, de mivel a Maxwell-egyenletek pontos megoldásai csak néhány geometriai testre (például gömbrészecske) ismertek, a fény részecskék általi szórása egy a számítási elektromágnesesség tudományterülete, amely az elektromágneses sugárzás részecskék általi szórásával és elnyelésével foglalkozik.
Olyan geometriai testek esetében, amelyekre analitikus megoldások ismertek (például gömbök, gömbhalmazok, végtelen hengerek), a megoldást általában végtelen sorozatként számítják ki . Bonyolultabb geometriai testek és inhomogén részecskék esetén a Maxwell-egyenletek diszkrét megvalósítását veszik figyelembe és oldják meg. A fény részecskék általi többszöri szórásának hatását a sugárzási átvitel elméletének módszereivel vizsgálják.
A szóródó részecske relatív méretét a méretparaméter határozza meg, amely a jellemző részecskeméret és a hullámhossz arányát jelenti.
Pontos számítási módszerek
Véges különbség módszer az időtartományban
A véges különbség módszer a rácskülönbség numerikus szimulációs módszerek általános osztályába tartozik. Az időfüggő Maxwell-egyenleteket (parciális differenciálegyenletek formájában) diszkrét formában tekintjük, a parciális deriváltok közelítésére differenciálképleteket használunk. Az így kapott egyenletek megoldhatók például ugrásszerű módszerrel: adott időpillanatban meghatározzuk az elektromos térvektor komponenseit a tértérfogatban, majd a mágneses térvektor komponenseit ugyanabban a térfogatban. elemet a következő pillanatra határozzák meg; a folyamat megismétlődik.
Matrix T
Ezt a módszert kiterjesztett peremfeltételek módszerének is nevezik. A mátrixelemeket a Maxwell-egyenletek peremfeltételeinek és megoldásainak korrelációjával kapjuk. A beeső, átvitt és szórt mezők gömbi vektorhullámfüggvényekkel bővülnek.
Közelítések számítási módszerekben
Közelítés Mi
Bármely tetszőleges méretű paraméterrel rendelkező gömb alakú részecske szórását a Lorentz-Mi vagy Lorentz-Mee-Debye elméletnek is nevezett Mie -elmélet keretein belül vizsgáljuk , amely a Maxwell-egyenletek teljesen analitikus megoldása az elektromágneses sugárzás szóródására. gömb alakú részecskék (Bohren és Huffman, 1998).
Bonyolultabb struktúrák esetében, mint például héjas gömbök, többgömbök, gömbök, végtelen hengerek, vannak olyan általánosítások, amelyek végtelen sorozatokban fejezik ki a megoldást. Vannak olyan programok, amelyek lehetővé teszik a fényszórás vizsgálatát a Mie közelítésben gömbökre, gömbhéjrendszerekre és hengerekre.
Diszkrét dipólus közelítés
Számos módszer létezik a sugárzás tetszőleges alakú részecskék általi szóródásának kiszámítására. A diszkrét dipólus közelítés egy folytonos test közelítése polarizálható pontok véges halmazának felhasználásával. A pontok dipólusmomentumot kapnak a helyi elektromos térre adott válasz eredményeként. Az ilyen pontok dipólusai elektromos mezőkön keresztül lépnek kölcsönhatásba egymással.
Hozzávetőleges módszerek
Rayleigh-szórás
A Rayleigh-szórás a fénynek vagy más elektromágneses sugárzásnak a fény hullámhosszánál jóval kisebb részecskék általi szórása. A Rayleigh-szórást úgy határozhatjuk meg, mint egy kis méretparaméternél jelentkező szórást .
Geometriai optika
A sugárkövetéssel a fény gömb alakú és nem gömb alakú részecskék általi szóródását lehet tanulmányozni, feltéve, hogy a részecskeméret jóval nagyobb, mint a fény hullámhossza. Ebben az esetben a fényt egyedi sugarak halmazának tekinthetjük, de a sugarak szélességének sokkal nagyobbnak kell lennie, mint a hullámhossz, és kisebbnek kell lennie a részecskeméretnél. A részecske felületét érő sugarak visszaverődnek, megtörnek és elhajlanak . A sugarak különböző szögekben, eltérő amplitúdókkal és fázisokkal hagyják el a részecskét. A sugárkövetési módszert olyan optikai jelenségek leírására használják, mint a szivárvány, a hatszögletű jégkristályokon lévő halo.
Irodalom
- Barber, PW és SC Hill, Fényszórás részecskék által: számítási módszerek, Szingapúr ; Teaneck, NJ, World Scientific, c1990, 261 p.+ 2 számítógépes lemez (3½ hüvelyk), ISBN 9971-5-0813-3 , ISBN 9971-5-0832-X (pbk.)
- Bohren, Craig F. és Donald R. Huffman, Title Absorption and scattering of light by small particles, New York: Wiley, 1998, 530 p., ISBN 0-471-29340-7 , ISBN 978-0-471-29340- nyolc
- Hulst, HC van de, Light scattering by small particles, New York, Dover Publications, 1981, 470 p., ISBN 0-486-64228-3 .
- Kerker, Milton, A fény szóródása és más elektromágneses sugárzás, New York, Academic Press, 1969, 666 p.
- Mishchenko, Michael I., Joop W. Hovenier, Larry D. Travis, Fényszórás nem gömb alakú részecskék által: elmélet, mérések és alkalmazások, San Diego: Academic Press, 2000, 690 p., ISBN 0-12-498660-9 .
- Stratton, Julius Adams, Elektromágneses elmélet, New York, London, McGraw-Hill Book Company, inc., 1941. 615. o.