Рассеяние света сферической частицей (рассеяние Ми) — классическая задача электродинамики, решённая в 1908 году Густавом Ми для сферической частицы произвольного размера[1].
Рассеяние зависит от соотношения размеров частицы и длины волны света в материале частицы. Рэлеевское рассеяние является частным случаем рассеяния Ми для случая, когда частица намного меньше длины волны . В этом случае внешняя электромагнитная волна поляризует частицу, возбуждая в ней переменный дипольный момент. Дипольный момент, колеблющийся в такт с частотой внешней волны, переизлучает свет с характерной для дипольного момента диаграммой направленности. Если можно пренебречь частотной зависимостью диэлектрической проницаемости частицы, интенсивность рассеяния зависит от частоты в четвертой степени, что приводит к сильному рассеянию коротких волн. В рассеянном белом свете преобладает голубой оттенок, а в нерассеянном — красный.
В случае близости размеров частицы к длине волны света диаграмма направленности рассеяния становится сложной. Проявляется интерференция волн, отражённых от различных участков поверхности частицы. Интенсивность рассеянного под определенным углом света зависит от того, сколько раз волна укладывается на диаметре частицы, поэтому она сильно зависит от размеров частицы. Когда в размеры частицы укладывается несколько длин волны, чередование максимумов и минимумов в диаграмме направленности становится настолько частым, что при падении белого света на, например, коллоидный раствор, наблюдатель увидит белый рассеянный свет. В итоге вещество с большим количеством таких частиц становится непрозрачным. В этом причина белого цвета облаков на небе, белого цвета молока и т. д. Раствор коллоидных частиц может быть окрашен в том случае, когда вещество частиц избирательно поглощает свет в определенном спектральном диапазоне.
Если размеры сферы намного больше длины волны света, то поверхность сферы будет вести себя как плоская поверхность. Происходит преломление и отражение света, которые описываются формулами Френеля.
Рассеяние плоской волны сферической частицей
Задача рассеяния сферической наночастицей решается точно независимо от размера частицы. Будем рассматривать рассеяние плоской волны, распространяющейся вдоль оси z, поляризованной по x. Диэлектрическая и магнитная проницаемости частицы и , а среды — и соответственно. Для того, чтобы решить задачу рассеяния[2], выпишем сначала решения векторного уравнения Гельмгольца в сферических координатах, поскольку поля внутри и снаружи частицы должны ему удовлетворять. Уравнение Гельмгольца:
кроме уравнения Гельмгольца, поля должны ещё удовлетворять условиям и , . Всеми необходимыми свойствами обладают векторные сферические гармоники, введённые следующим образом:
здесь верхний индекс означает, что в радиальной части функций — сферические функции Бесселя.
Коэффициенты разложения получаются при взятии интегралов вида
при этом все коэффициенты при обнуляются, поскольку обнуляется интеграл по углу в числителе.
Затем накладываются
1) граничные условия на границе между шаром и окружающей средой (которые позволяют связать коэффициенты разложения падающего, внутреннего, и рассеянного полей),
2) условие ограниченности решения в начале координат(поэтому в радиальной части производящих функций для внутреннего поля выбираются сферические функции Бесселя),
3) для рассеянного поля асимптотика на бесконечности соответствует расходящееся сферической волне(в связи с этим для рассеянного поля в радиальной части производящих функций выбираются сферические функции Ханкеля первого рода).
Рассеянные поля записываются в виде разложения по векторным гармоникам как
здесь верхний индекс означает, что в радиальной части функций — сферические функции Ханкеля, и ,
а внутренние:
- волновой вектор снаружи частицы, — волновой вектор в среде из материала частицы, и — показатели преломления среды и частицы, После применения граничных условий получаются выражения для коэффициентов:
Здесь , , где — радиус наночастицы, и — сферические функции Бесселя и Ханкеля первого рода соответственно.
Сечения рассеяния и экстинкции
Сечения рассеяния и экстинкции могут быть получены интегрированием соответствующих функций электрического и магнитного полей по внешней сфере большого радиуса.[2] Из-за свойств ортогональности векторных сферических гармоник, получается простая связь коэффициентов Ми и сечений. Сечение рассеяния:
сечение экстинкции:
Применение к субволновым частицам
Если в материале рассеивающего шара укладывается несколько длин волн, то рассеянные поля обладают некоторыми особенностями. Далее речь будет идти о виде электрического поля, поскольку магнитное поле получается из него взятием ротора.
Все коэффициенты Ми зависят от частоты и имеют максимумы, когда знаменатель близок к нулю (точное равенство нулю достигается для комплексных частот). При этом возможны ситуации, когда в рассеянии значительно доминирует вклад одной конкретной гармоники. Тогда на больших расстояниях от частицы диаграмма направленности рассеянного поля будет похожа на соответствующую диаграмму направленности угловой части векторных сферических гармоник. Гармоники соответствуют электрическим диполям (если в разложении электрического поля доминирует вклад этой гармоники, то поле похоже на поле электрического диполя), соответствуют электрическому полю магнитного диполя, и — электрический и магнитный квадруполи, и — октуполи, и так далее. Максимумы коэффициентов рассеяния (а также смена их фазы на ) называются мультипольными резонансами. Нули коэффициентов рассеяния относятся к анаполям.
Вид зависимости сечения рассеяния от длины волны и вклад конкретных резонансов сильно зависит от материала частицы. Так, например, для золотой частицы радиусом 100нм в оптическом диапазоне преобладает вклад электрического диполя в рассеяние, а для кремниевой есть ярко выраженные магнитный дипольный и квадрупольный резонансы. Для металлических частиц пик, видимый в сечении рассеяния, также называют локализованным плазмонным резонансом.
В пределе малых частиц или больших длин волн в сечении рассеяния доминирует электрический дипольный вклад.
Мультипольное разложение зависимости сечения рассеяния золотым шаром радиусом 100 нм от длины падающей плоской волны.
Мультипольное разложение зависимости сечения рассеяния шаром с показателем преломления n=4 радиусом 100 нм от длины падающей плоской волны.
Мультипольное разложение зависимости сечения рассеяния кремниевым шаром радиусом 100 нм от длины падающей плоской волны.
Другие направления падающей плоской волны
В случае x-поляризованной плоской волны, падающей вдоль z, разложения всех полей содержали только гармоники с m=1, но для произвольной падающей волны это не так[3]. Для повернутой плоской волны коэффициенты разложения можно получить, например, используя то, что при поворотах векторные сферические гармоники преобразуются друг через друга определенным образом. При этом рассеянное поле будет раскладываться уже по всем возможным гармоникам:
Тогда сечение рассеяния будет выражаться через коэффициенты следующим образом:
Эффект Керкера
В 1983 году в работе Керкера, Ванга и Джайлса [4] обсуждалась направленность рассеяния частицами с . В частности, было показано, что для гипотетических частиц с рассеяние назад полностью подавляется.
Кроме того, сечения рассеяния в направлении вперед и назад просто выражаются через Ми-коэффициенты[5][6]:
Для определенных комбинаций коэффициентов выражения выше могут быть минимизированы. Так, например, когда слагаемыми с можно пренебречь (дипольное приближение), , отвечает минимальному рассеянию назад (магнитный и электрический диполи равны по модулю и находятся в фазе). Это условие также называется "первое условие Керкера", а — минимальному рассеянию вперед, "второе условие Керкера". Для точного решения задачи необходимо учитывать вклады всех мультиполей. Сумма электрического и магнитного диполей образует источник Гюйгенса
Для диэлектрических частиц максимальное рассеяние вперед наблюдается на длинах волн больших, чем длина волны магнитного дипольного резонанса, а назад — на меньших.[7]
Также есть небольшое Видео на YouTube с объяснением эффекта.
Диадная функция Грина шара
Функция Грина является решением следующего уравнения:
где — единичная матрица, для , и для . Поскольку все поля являются векторными, функция Грина представляет из себя матрицу 3 на 3 и называется диадной. Если в системе индуцированна поляризация , то поля выражаются как
Как и поля, функция Грина может быть разложена по векторным сферическим гармоникам[8]. Функция Грина свободного пространства[9]:
В присутствии шара функция Грина также раскладывается по векторным сферическим гармоникам. Ее вид зависит от того, в какой среде находятся точки и [10].
Онлайн-калькулятор рассеяния Ми рассчитывает спектр сечения рассеяния и мультипольное разложение для произвольной многослойной сферы, есть расчёт ближнего поля. Параметры материалов взяты с сайта refractiveindex.info. Исходный код калькулятора открыт и является частью проекта Scattnlay, открытого программного обеспечения на C++ для расчёта рассеяния Ми (решение для ближнего и дальнего поля многослойной сферы), с возможностью вызова из Python и JavaScript.
↑ 12Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. — М.: Мир, 1986. — С. 221—222. — 660 с.
↑K. A. Fuller, Scattering and absorption cross sections of compounded spheres. I. Theory for external aggregation, J. Opt. Soc. Am. A 11, 3251-3260 (1994)
↑M. Kerker, D. S. Wang, and C. L. Giles, Electromagnetic scattering by magnetic spheres, J. Opt. Soc. Am. 73, 765—767 (1983)
↑Tzarouchis, D.; Sihvola, A. Light Scattering by a Dielectric Sphere: Perspectives on the Mie Resonances. Appl. Sci. 2018, 8, 184.
↑Wei Liu and Yuri S. Kivshar,Generalized Kerker effects in nanophotonics and meta-optics [Invited], Opt. Express 26, 13085-13105 (2018)
↑Fu, Y., Kuznetsov, A., Miroshnichenko, A. et al. Directional visible light scattering by silicon nanoparticles. Nat Commun 4, 1527 (2013) doi:10.1038/ncomms2538
↑L.-W. Li, P.-S. Kooi, M.-S. Leong, and T.-S. Yee. Electromagnetic dyadic green’s function in spherically multilayered media. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 42(12):2302-2310, Dec 1994.
↑C. T. Tai, Dyadic Green’s Functions in Electromagnetic Theory. Scranton, PA: lntext Educational, 1971.
↑Mason, V. Bradford, The Electromagnetic Radiation From Simple Sources in the Presence of a Homogeneous Dielectric Sphere, Ph.D. Dissertation, Department of Electrical and Computer Engineering, The University of Michigan, Ann Arbor, Michigan (1972)
Похожие исследовательские статьи
Ква́нтовый эффе́кт Хо́лла — эффект квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. Квантовый эффект Холла (КЭХ) был открыт Клаусом фон Клитцингом в 1980 году, за что впоследствии, в 1985 году, он получил Нобелевскую премию.
Уравне́ния Ма́ксвелла — система уравнений в дифференциальной или интегральной форме, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах. Вместе с выражением для силы Лоренца, задающим меру воздействия электромагнитного поля на заряженные частицы, эти уравнения образуют полную систему уравнений классической электродинамики, называемую иногда уравнениями Максвелла — Лоренца. Уравнения, сформулированные Джеймсом Клерком Максвеллом на основе накопленных к середине XIX века экспериментальных результатов, сыграли ключевую роль в развитии представлений теоретической физики и оказали сильное, зачастую решающее влияние не только на все области физики, непосредственно связанные с электромагнетизмом, но и на многие возникшие впоследствии фундаментальные теории, предмет которых не сводился к электромагнетизму.
Диэлектри́ческая проница́емость — коэффициент, входящий в математическую запись закона Кулона для силы взаимодействия точечных зарядов и , находящихся в однородной изолирующей (диэлектрической) среде на расстоянии друг от друга:
Эффект Шубникова — де Хааза назван в честь советского физика Л. В. Шубникова и нидерландского физика В. де Хааза, открывших его в 1930 году. Наблюдаемый эффект заключался в осцилляциях магнетосопротивления плёнок висмута при низких температурах. Позже эффект Шубникова — де Гааза наблюдали в многих других металлах и полупроводниках. Эффект Шубникова — де Гааза используется для определения тензора эффективной массы и формы поверхности Ферми в металлах и полупроводниках.
Теоре́ма Лиуви́лля, названная по имени французского математика Жозефа Лиувилля, является ключевой теоремой в математической физике, статистической физике и гамильтоновой механике. Теорема утверждает сохранение во времени фазового объёма, или плотности вероятности в фазовом пространстве.
Многоме́рное норма́льное распределе́ние в теории вероятностей — это обобщение одномерного нормального распределения. Случайный вектор, имеющий многомерное нормальное распределение, называется гауссовским вектором.
В квантовой физике золотое правило Ферми — это формула, которая использует временную теорию возмущений в нерелятивистской квантовой механике и описывает скорость перехода их одного собственного состояния энергии квантовой системы к группе собственных состояний энергии в непрерывном спектре (континууме) в результате слабого возмущения. Эта скорость перехода фактически не зависит от времени и пропорциональна силе связи между начальным и конечным состояниями системы, а также плотности состояний. Золотое правило Ферми также применимо, когда конечное состояние дискретно, то есть оно не является частью континуума, если в процессе имеет место некоторая декогеренция, например релаксация или столкновение атомов, или шум в возмущении, и в этом случае плотность состояний заменяется выражением, учитывающим конечное время жизни.
Те́нзор эне́ргии-и́мпульса (ТЭИ) — симметричный тензор второго ранга (валентности), описывающий плотность и поток энергии и импульса полей материи и определяющий взаимодействие этих полей с гравитационным полем.
Волновое уравнение в физике — линейное гиперболическое дифференциальное уравнение в частных производных, задающее малые поперечные колебания тонкой мембраны или струны, а также другие колебательные процессы в сплошных средах и электромагнетизме (электродинамике). Находит применение и в других областях теоретической физики, например при описании гравитационных волн. Является одним из основных уравнений математической физики.
Вселе́нная Фри́дмана — одна из космологических моделей, удовлетворяющих полевым уравнениям общей теории относительности (ОТО), первая из нестационарных моделей Вселенной. Получена Александром Фридманом в 1922. Модель Фридмана описывает однородную изотропную в общем случае нестационарную Вселенную с веществом, обладающую положительной, нулевой или отрицательной постоянной кривизной. Эта работа учёного стала первым основным теоретическим развитием ОТО после работ Эйнштейна 1915—1917 гг.
Рассе́яние части́ц — изменение направления движения частиц в результате столкновений с другими частицами.
Водородоподо́бный а́том или водородоподо́бный ио́н представляет собой любое атомное ядро, которое имеет один электрон и, следовательно, является изоэлектронным атому водорода. Эти ионы несут положительный заряд , где — зарядовое число ядра. Примерами водородоподобных ионов являются He+, Li2+, Be3+ и B4+. Поскольку водородоподобные ионы представляют собой двухчастичные системы, взаимодействие которых зависит только от расстояния между двумя частицами, их (нерелятивистское) уравнение Шредингера и (релятивистское) уравнение Дирака имеют решения в аналитической форме. Решения являются одноэлектронными функциями и называются водородоподобными атомными орбиталями.
Р-волны — упругие продольные волны, вызывающие колебания элементарных частиц упругой среды в направлении распространения волны и создающие в среде объёмные деформации сжатия—растяжения(Рисунок 1). Самые быстрые среди объёмных волн, поэтому получили название «P-волны» от латинского «prima» — первичные. Способны распространятся в твердых телах, жидкостях и газах.
S-волны представляют собой тип упругих волн. Название S-волны связано с английским «shear waves» — сдвиговые волны или волна сдвига. Так как модуль сдвига в жидкостях и газах равен нулю, то S-волны могут проходить только через твёрдые тела. В случаях, когда упругость не проявляется, в них распространяются вязкие волны.
Векторными сферическими гармониками являются векторные функции, преобразующиеся при вращениях системы координат так же, как скалярные сферические функции с теми же индексами, или определенные линейные комбинации таких функций.
Ме́тод Га́усса в небесной механике и астродинамике используется для первоначального определения параметров орбиты небесного тела по трём наблюдениям.
Симметрии в квантовой механике — преобразования пространства-времени и частиц, которые оставляют неизменными уравнения квантовой механики. Рассматриваются во многих разделах квантовой механики, которые включают релятивистскую квантовую механику, квантовую теорию поля, стандартную модель и физику конденсированного состояния. В целом, симметрия в физике, законы инвариантности и сохранения являются основополагающими ограничениями для формулирования физических теорий и моделей. На практике это мощные методы решения задач и прогнозирования того, что может случиться. Хотя законы сохранения не всегда дают конечное решение проблемы, но они формируют правильные ограничения и наметки к решению множества задач.
В теории многих тел термин функция Грина иногда используется как синоним корреляционной функции, но относится к корреляторам операторов поля или операторам рождения и уничтожения.
Мультипольное излучение — излучение, обусловленное изменением во времени мультипольных моментов системы. Используется для описания электромагнитного или гравитационного излучения от изменяющегося во времени (нестационарного) распределения удалённых источников. Мультипольное разложение применяется к физическим явлениям, которые происходят на разных масштабах — от гравитационных волн из-за столкновения галактик до гамма-излучения в результате радиоактивного распада. Мультипольное излучение анализируется способами, схожими с применяемыми для мультипольного разложения полей от стационарных источников. Однако есть важные отличия, поскольку поля мультипольного излучения ведут себя несколько иначе полей от стационарных источников. Эта статья в первую очередь касается электромагнитного мультипольного излучения, хотя гравитационные волны рассматриваются аналогично.
Уравнение электромагнитной волны — дифференциальное уравнение в частных производных второго порядка, которое описывает распространение электромагнитных волн через среду или в вакуумe. Это трёхмерная форма волнового уравнения. Однородная форма уравнения, записанная в терминах либо электрического поля E, либо магнитного поля B, имеет вид:
Эта страница основана на статье Википедии. Текст доступен на условиях лицензии CC BY-SA 4.0; могут применяться дополнительные условия. Изображения, видео и звуки доступны по их собственным лицензиям.