Автор работы: Пользователь скрыл имя, 29 Декабря 2014 в 02:03, реферат
Цель работы –изучить оптические свойства аэрозолей.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
Изучить Релеевский закон рассеяния;
Изучить взаимодействие электромагнитного излучения с одиночной частицей: теория Ми
Введение…………………………………………………………..………….3
1. Оптические свойства аэрозолей……………………...…………………...5
2. Релеевский закон рассеяния ……………………………...………….....8
3.Взаимодействие электромагнитного излучения с одиночной частицей: теория Ми…………..………………..…………………………………………...10
4. Оптические характеристики аэрозолей...……………………………..15
5. Пределы применимости теории Ми ...…………………………………...18
Заключение……………………………………………………………..…20
Список использованной литературы…………………
μ = cos θ .
Основными элементами полученного решения являются коэффициенты в указанных выше рядах – так называемые коэффициенты Ми для компонент рассеянного an ,bn и внутреннего cn , dn полей. Каждый из них умножается на соответствующий комплекс сферических специальных функций, давая тем самым упомянутую выше парциальную волну. Коэффициенты Ми сами являются сложными функциями от сферических функций Бесселя соответствующего порядка Ψn (mρ) и их производных; аргументом этих функций (а значит, и аргументом коэффициентов Ми) является дифракционный параметр ρ = 2πRp λ , являющийся основным безразмерным критерием подобия в уравнениях теории. Он может изменяться в широких пределах – от оченьмалых значений (для так называемых рэлеевских частиц), до очень больших (крупные частицы в пределе геометрической оптики). Параметром в выражениях для коэффициентов Ми служит комплексный показатель преломления вещества частицы m = n + ik , причем коэффициенты при вещественной и мнимой части (показатели преломления n и поглощения k ) зависят от длины волны излучения λ и температуры внутри частицы. Ве-личины n и k не являются независимыми, а связаны дисперсионными соотношениями (формулами Крамерса-Кронига)
(8)
Используемая в работе стандартная запись коэффициентов Ми имеет вид (Борен и Хафмен, 1986)
(9)
Где Ψn (ρ) = ρjn (ρ) , ξn (ρ) = ρhn(1) (ρ) – функции Риккати-Бесселя; hn(1) (ρ) = jn (ρ) + iyn (ρ) – сферическая функция Бесселя третьего рода (или сферическая функция Ганкеля); jn (ρ) , yn (ρ) – сферические функции Бесселя. Для неполяризованного падающего излучения коэффициенты Ми (15.5) записаны по умолчанию при φ = π/4 .
После определения внутреннего и рассеянного поля становится возможным рассчитать любую интересующую нас оптическую характеристику, связанную с поглощением или рассеянием излучения одиночной сферической частицей. К основным характеристикам, связанным с рассеянным излучением, можно отнести так называемый фактор эффективности рассеяния (или безразмерное сечение рассеяния) Qsca , фактор эффективности ослабления излучения Qext , определяемый как Qext = Qabs + Qsca .Важными характеристиками рассеянного частицей излучения
являются также параметр асимметрии фазовой функции g и альбедо однократного рассеяния w = 1−Qabs /Qext . Физический смысл этих характеристик прост и понятен. Например, фактор эффективности рассеяния излучения Qsca равен отношению потока энергии, рассеянного частицей в единицу времени, к полному потоку энергии, падающему на ее геометрическое сечение.
Оптические характеристики, связанные с поглощением излучения, до последнего времени привлекали гораздо меньшее внимание исследователей. Во-первых, данные характеристики вряд ли могут быть измерены экспериментально для отдельной микрочастицы. Во-вторых, расчеты характеристик внутреннего поля по теории Ми принципиально сложнее, чем характеристик поля рассеянного; они стали возможными лишь в результате создания целенаправленных численных алгоритмов.
Важнейшей характеристикой такого рода является фактор поглощения излучения (или безразмерное сечение поглощения) Qabs . Он равен отношению потока энергии, поглощаемого частицей в единицу времени, к полному потоку энергии, падающему на ее геометрическое сечение. Согласно определению и формализму теории Ми, он рассчитывается как
(10)
Где – безразмерная функция источников электромагнитной энергии в объеме частицы, x = r /Rp – безразмерная радиальная координата частицы. Примеры расчетов факторов Qsca , Qabs и Qext по теории Ми для ряда атмосферных аэрозолей в зависимости от значения дифракционного параметра ρ приведены на рис. 2.
Значения фактора Qabs , который определяет поглощение излучения и последующий нагрев таких атмосферных аэрозолей, как сажевые частицы, сильно зависят от показателя поглощения вещества частицы. Из рис. 3 видно, что Qabs может многократно увеличиваться при возрастании значения k .
Рис. 2. Рассчитанные значения факторов рассеяния, поглощения и ослабления излучения для частиц ряда атмосферных аэрозолей
Рис. 3. Зависимость фактора поглощения излучения от дифракционного параметра при n =1,5 и различных значениях k
Рис. 4. Показатели преломления и поглощения частиц воды и льда в зависимости от длины волны излучения
Рис. 5. Показатели поглощения вещества частиц атмосферных аэрозолей в зависимости от длины волны излучения
На рис. 4 и 5 приведена полезная информация о значениях показателей преломления и поглощения вещества частиц ьреальных атмосферных аэрозолей, которая необходима в расчетах по теории Ми.
До сих пор рассматривались результаты теории Ми, описывающей взаимодействие излучения с отдельными частицами монодисперсного аэрозоля. Реальный атмосферный и промышленный аэрозоль полидисперсен, что требует обобщения полученных результатов.
Термин полидисперсная система употребляется для обозначения взвеси рассеивающих частиц, однородных по своему физическому строению и одинаковых по форме, но с изменяющейся счетной концентрацией в зависимости от их размера. Таким ьобразом, под полидисперсными системами понимается совокупность сферических частиц, отличающихся друг от друга только размерами и имеющих одинаковые оптические константы. Оптические характеристики для полидисперсных систем заменяются на соответствующие интегральные величины с определенными весовыми множителями, зависящими от концентрации частиц в каждом диапазоне размеров. Например, фактор поглощения излучения для полидисперсного аэрозоля вводится как
где f (Rp ) – считающаяся известной функция распределения частиц по размерам, N – количество рассеивающих частиц в единице объема.
Соотношение (11) фактически определяет так называемый объемный коэффициент поглощения излучения σabs для полидисперсного аэрозоля из сферических частиц с постоянным значением комплексного показателя преломления m . Этот коэффициент входит в формулу закона Бугера–Ламберта–Бэра, связывающего интенсивность излучения, прошедшего через слой толщиной l , содержащий аэрозоль, с интенсивностью падающего излучения:
Рассмотрим пределы применимости теории Ми. Ее можно трактовать как классическую макроскопическую электродинамическую теорию для описания процессов рассеяния и поглощения излучения частицами достаточно простых геометрических форм и структуры (Борен и Хафмен, 1986).
В данной теории частица, по мере возрастания дифракционного параметра ρ , рассматривается как электрический мультиполь все более и более высокого порядка, причем отождествление его математических характеристик с реальными микроскопическими процессами внутри частицы кажется непростой задачей. Классическая модель оптических характеристик, разработанная Г.А. Лоренцем в начале 20-го века и основанная на представлении об электронах и ионах вещества как простых гармонических осцилляторах, на которые действуют силы, обусловленные внешними электромагнитными полями, продемонстрировала формальное совпадение результатов с квантовомеханическими расчетами, отличаясь от них только трактовкой параметров (Борен и Хафмен, 1986).
Поэтому можно полагать, что теория Ми, демонстрируя определенную «электромагнитную механистичность» в трактовке рассеяния и поглощения излучения частицами, тем не менее приводит в большинстве случаев к правильным результатам, которым нужно дать адекватную физическую трактовку.
По установившейся традиции термин «задача Ми» подразумевает рассмотрение только однородных сферических частиц рассеивателей в поле плоской волны монохроматического излучения, тогда как термин «теория Ми» используется для описания процессов рассеяния и поглощения объектами и других простейших геометрических форм и структур: многослойных и полых сфер, цилиндров, эллипсоидов вращения, пластинчатых частиц. Для частиц же произвольной формы строгого математического решения задачи (хотя бы в квадратурах) на сегодняшний
день не существует. С одной стороны, существуют противники использования теории Ми для описания каких-либо свойств несферических частиц, а с другой стороны, есть и такие исследователи, которые используют данную теорию для анализа любых аспектов взаимодействия излучения с подобными частицами. Ни одну из этих точек зрения нельзя признать правильной (Борен иХафмен, 1986).
В теории Ми предполагается, что на частицу падает плоская волна излучения. Это означает, что размер частицы считается много меньшим ширины пучка излучения. Если же это не так,или пучок излучения имеет определенный профиль энергетической интенсивности (например, гауссовский), то решение такойпроблемы уже невозможно искать в рамках теории Ми. Такие условия, в частности, характерны для нахождения атмосферного аэрозоля в пучках высокоинтенсивного лазерного излучения при лазерном зондировании атмосферы или используются для захвата и удержания микрочастиц в так называемых оптических ловушках.
Модель рассеяния в теории Ми описывает класс упругих видов однократного рассеяния. Для дисперсных сред возможны и хорошо известны и неупругие типы рассеяния: вынужденное комбинационное рассеяние, вынужденное рассеяние Мандельштама–Бриллюэна, вынужденная флюоресценция. Как известно,они могут приводить к целому ряду нелинейных оптических эффектов в аэрозолях. Кроме того, в ряде случаев для атмосферных аэрозолей существенны и эффекты многократного рассеяния излучения (например, при описании оптических свойств фрактало-подобных частиц дымов. Все эти проблемы также лежат за пределами применимости классической теории Ми.
Заключение
Оптические свойства – одни из самых типичных, но в тоже время важнейших характеристик аэродисперсных систем. Рассевают излучение любые аэрозольные частицы. Рассеяние, отражение и поглощение света аэрозолями зависит от размера, формы и природы частиц, а также от длины волны падающего света.
Взаимодействие электромагнитного излучения с аэрозольными частицами и его разнообразные следствия являются предметом исследования многочисленных и взаимосвязанных разделов оптики и механики аэродисперсных сред.
Одним из разделов современной физики атмосферы является нелинейная оптика атмосферного аэрозоля, возникновение которой было мотивировано практическими возможностями воздействия мощного излучения на атмосферный аэрозоль и лазерным мониторингом атмосферы. Актуальными задачами данного направления является выяснение закономерностей распространения интенсивных пучков излучения в аэродисперсных средах для передачи электромагнитной энергии на большие расстояния, а также радиационного просветления облаков и туманов, обусловленного нагревом и испарением воднокапельного аэрозоля.
В ходе написания реферата были изучены Релеевский закон рассеяния, взаимодействие электромагнитного излучения с одиночной частицей: теория Ми, пределы применимости теории Ми и оптические свойства аэрозолей .
Список использованной литературы