ГЛАВА 21. РАССЕЯНИЕ

§ 136. Вторичное излучение

Под действием электромагнитной волны каждая молекула становится вторичным излучателем электромагнитных волн. Под действием электрической силы электронное облако смещается по отношению к атомным ядрам и молекула приобретает дипольный момент, меняющийся во времени с частотой падающей волны.

Поведение такой молекулы нисколько не отличается от поведения элементарного диполя, о котором шла речь в гл. 20. Интенсивность вторичной волны будет выражаться формулой, приводившейся на стр. 293 (интенсивность , а распределение интенсивности вторичного излучения в пространстве будет передаваться рис. 133.

В ряде случаев, о которых пойдет речь ниже, явление вторичного излучения приводит к разнообразным явлениям рассеяния электромагнитных волн. При этом под рассеянием понимают обычно любые явления распространения электромагнитных волн, не укладывающиеся в рамки преломления, отражения и прямолинейного распространения.

Формула интенсивности, приведенная выше, справедлива для любых электромагнитных волн. Однако резкая зависимость от частоты излучения показывает, что эффекты рассеяния волны одной молекулой станут заметны при не слишком длинных волнах. Интенсивность рассеяния волн видимого света уже вполне достаточна для того, чтобы привести к существенным эффектам.

Длина световой волны в сотни и тысячи раз превышает размеры обычных молекул. Поэтому все электроны молекулы приводятся внешним полем в колебание с одной и той же фазой. Для световых волн, для ультрафиолетовых волн и даже для очень мягкого (т. е. длинноволнового) рентгеновского излучения молекула ведет себя, как элементарный электрический диполь.

Картина существенно меняется, если речь идет о рентгеновском излучении с длиной волны порядка 1 А. Теперь уже размеры молекулы больше длины волны и различные участки электронного облака молекулы колеблются в разных фазах. Чтобы вычислить интенсивность рассеянной волны, нужно учесть явления интерференции, которые возникнут между волнами, рассеянными разными частями молекулы.

В принципе такое вычисление не представляет труда. Электронное облако молекулы надо, прежде всего, разбить на небольшие объемы Каждый такой объем должен иметь размеры, много меньшие длины волны. Тогда электроны, приходящиеся на этот объем, будут рассеивать в одной фазе. Если обозначить через плотность электронного облака, то на объем придется электронов. Амплитуда вторичной волны, созданной объемом, будет пропорциональна Амплитуды рассеяния надо сложить с учетом разницы фаз между элементарными волнами и сумму амплитуд возвести, в квадрат. Распределение интенсивности рассеянной волны будет существенно отличаться от картины излучения одного диполя. Это и понятно, так как будут направления, в которых элементарные волны, рассеянные отдельными объемами, поддерживают друг друга, т. е. действуют в фазе, и, наоборот, будут такие направления, в которых элементарные волны ослабляют друг друга. Важным следствием такого рода подсчетов является следующее:

при наличии интерференции между элементарными волнами, исходящими от отдельных объемов частицы, волны, идущие назад, в конечном счете ослабляют друг друга; напротив, волны, идущие вперед, усиливают друг друга.

Мы говорили о вторичном излучении молекулы, однако очень часто роль вторичного излучателя играет гораздо более крупная частица, состоящая из большого числа молекул. Это может быть частичка пыли, коллоидная частица, капля тумана, мёльчайший кристаллик, частичка дыма, крупная белковая молекула и т. д. Характер рассеяния волн частицами будет определяться отношением их размера к длине возбуждающей электромагнитной волны. Если частичка мала по сравнению с длиной волны, то она будет рассеивать, как один элементарный диполь. В противном случае возникнут интерференционные эффекты, а также будет превалировать рассеяние вперед.

Частица может обладать неодинаковой рассеивающей способностью в разных своих частях. Именно так обстоит дело в молекуле, рассеивающей рентгеновские лучи. Наиболее простым рассеивающим телом является частица, все объемы которой обладают одинаковой рассеивающей способностью. Мы остановим свое внимание на подобной системе. Она не только проста для расчета, но и легко воспроизводится на опыте (отверстие в непрозрачном экране).