Absorpce, rozptyl, disperze světla.pdf - FBMI

Absorpce, rozptyl, disperze světla 

The Light Fantastic, kap. 11 

Světlo dopadající, nebo se šířící hmotou, interaguje s atomy a molekulami a 

dochází ke třem procesům : 

• absorpce 

• rozptyl 

• disperze (ohyb světla). 

Rozptyl od elektricky polarizovatelných částic majících rozměry mnohem menší 

než je vlnová délka záření - je nazýván Rayleighův rozptyl. 

Jedním z důsledků Rayleighova rozptylu je modrá barva oblohy – v tomto případě 

je sluneční světlo rozptýleno molekulami v atmosféře. Z toho vyplývá, že 

Rayleighův rozptyl je zásadním procesem při zpomalení světla v transparentních 

materiálech. 

Mieův rozptyl – dochází k němu při rozptylu světla na velkých částicích jejichž 

rozměr může být asi v rozmezí od 0.1 do 100 násobku vlnové délky.


The Light Fantastic, kap. 11 

Rayleighův rozptyl - rozptyl slunečního světla v horní atmosféře na molekulách 

plynu je příčinou modré barvy oblohy. Modré světlo oblohy je silně polarizováno 

(zjistíme při pozorování Polaroidem). Okamžitý dipólový moment indukovaný 

v molekule má hodnotu : 

p(t) = ae 0E 0 exp (iwt), 

Kde E = E 0 exp (iwt) – je elektrické pole vlny a a je polarizibility 

(polarizovatelnost) molekuly. Každý takto excitovaný dipól září na frekvenci 

dopadajícího světla a tímto způsobem rozptyluje světlo dopadajícího svazku. 

Střední výkon rozptýlený jednou molekulou je : 

W = w 4 a 2 e 0E 0 2 /(12pc 3 ). 

Pro N molekul na jednotku objemu je výkon rozptýlený z jednotkové oblasti 

svazku, v malé vzdálenosti dz podél svazku – je NWdz. 

Výkon dopadající v jednotkové oblasti svazku je e 0cE 0 2 /2, takže částečné 

výkonové ztráty jsou : 

dW/W = - [nw 4 a 2 /6pc 4 )] dz = (8/3)p 3 a 2 Ndz/l 4 !!!!!! (11.3)


I.R.Kenyon :The Light Fantastic, kap. 11 

Silná závislost na vlnové délce způsobí, že se 

modré světlo rozptyluje asi 10 x efektivněji než 

světlo červené – to je příčinou modré barvy 

oblohy. 

Proč ne fialová ??? 

Rozptylem je rovněž vysvětleno proč je obloha při 

západu slunce červená – světlo prochází 

v atmosféře dlouhou dráhou. 

Př. : divák pozoruje modrou oblohu v pravém úhlu 

(kolmo) na směr paprsků od Slunce. Každá 

molekula, která rozptyluje světlo, nejprve světlo 

absorbuje, a stává se polarizovanou v podstatě ve 

stejném směru jako je polarizace absorbovaného 

světla – a pak světlo znovu emituje (re- emituje). 

Viewer 

Viewer 

maximal 

scattering 

minimal 

scattering 

Sun 

Sun 

Je- li molekula excitovaná světlem 

polarizovaným kolmo k rovině 

rozptylu – horní obrázek – pak se 

pozorovatel dívá v směru, ve 

kterém je intenzita maximální. 

Naopak – je li světlo polarizované 

v rovině rozptylu – spodní obrázek 

- pak dipól molekuly směřuje 

směrem k pozorovateli a ten 

nepozoruje žádné světlo.



Výraz 11.3 pro ztrátu výkonu může být přepsán do tvaru, ve kterém místo 

polarizovatelnosti molekuly vystupuje index lomu. 

Plati e r = 1 + Np /E = 1 + Na. 

Budeme- li pracovat v plynech o nízkých tlacích, pak jsou relativní permitivity 

blízké jedničce, takže s jitou aproximací lze psát 

e r – 1 = 2 (n – 1). 

Nahradíme – li e r v předchozí rovnici, dostaneme 

a = 2 (n – 1) / N. 

Nahradíme – li pak a v rovnici 11.3, dostaneme 

dW/W = - (32/3) p 3 (n – 1) 2 dz / (N l 4 ), 

a po integraci přes z dostaneme 

W (z) = W (0) exp (- b z), b = (32/3) p3 (n – 1) 2 / N l 4 , 

Vzdálenost 1/b, na které intenzita klesne na hodnotu 1/e se nazývá délka zeslabení 

(útlumu). Světlo o vlnové délce 500 nm a šířící se v neznečištěné atmosféře 

v blízkosti mořské hladiny, má délku zeslabení 65 km, tj. ztráta výkonu je pak 12 

Mm -1 (částic v miliónu na jeden metr).



Rozptyl od individuální dielektrické koule o poloměru a a o indexu lomu n. 

Hodnota nazývaná rozptylový průřez je definována jako celkový rozptýlený tok 

dělený tokem dopadajícím v jednotce plochy příchozího (dopadajícího) svazku. 

Pak ekvivalentní plocha ze které se světlo na rozptylové kouli rozptyluje je : 

s = (8 p /3) (2 p / l 4 ) a 6 G 2 , 

kde G = (n 2 – 1) / (n 2 + 2). 

Intenzita Rayleighova rozptylu tedy roste se třetí mocninou 

geometrické plochy odražeče, a klesá se čtvrtou mocninou vlnové 

délky.



Mieův rozptyl 

Při rozptylu na větších částicích, jejichž rozměr se blíží vlnové délce 

dopadajícího světla, je analýza rozptylu na jedné částici 

komplikovaná. Dochází k interferenci světla rozptýleného od různých 

částí stejného odražeče, a pak musí se vzít do úvahy i fázové zpoždění 

mezi světlem procházejícím různými tloušťkami rozptylující částice. 

První podrobnější studie pochází od Mieho z roku 1908 – jeho 

analýza se zabývá rozptylem od kulových částic všech průměrů. 

Rayleighův přístup je adekvátní aproximací pro průměry asi do jedné 

desetiny vlnové délky záření. Průměry větší než je stonásobek vlnové 

délky záření je pak adekvátní paprskové aproximací.



Rozptyl od kulových ploch majících rozměry mezi těmito dvěma 

extrémy (tj. od desetiny vln. délky do stonásobku vln. délky) se 

obecně nazývá Mieův rozptyl. 

Interference mezi různými oblastmi způsobuje úhlové rozdělení, 

Jakmile se průměr koule zvyšuje, tak se celkové úhlové rozdělení 

stává postupně více dopředným s menší zpětnou složkou. 

Když je průměr koule l/4 (5 l) pak je poměr intenzity v dopředném 

směru vzhledem k intenzitě ve zpětném směru asi 2.5 : 1 (2000 : 1).



Absorpce - světlo ve svazku klesá díky absorpci a rozptylu. K absorpci světla 

dochází na elektronech vázaných v atomech nebo v molekulách, nebo na volných 

elektronech v kovech. 

Prochází- li bílé světlo plynem, který obsahuje atomy jednoho prvku, a je li průchozí 

světlo pozorováno mřížkovým spektrometrem, pak lze ve spektru pozorovat černé 

čáry. Čáry označují individuální úzký rozsah vlnových délek jsou pro atomární 

strukturu prvku charakteristické. 

Atomy mohou ihned znovu emitovat záření, nebo emitovat záření na delších 

vlnových délkách. Toto záření na delších vlnových délkách je známo jako 

fluorescence, a záření emitované na stejné vlnové délce je nazýváno rezonanční 

fluorescence. 

Fosforescence je termín užívaný pro záření, které je emitováno se zpožděním větším 

než mikrosekunda. 

V hustých materiálech se absorpční proces obvykle objevuje v širokém pásmu 

vlnových délek a některé materiály absorbují úplně všechno světlo. Absorbovaná 

energie je obecně konvertovaná atomárními procesy a tepelnými srážkami na teplo. 

Rozptyl světla tedy může být interpretován jako absorpce světla při které po absorpci 

následuje rychlé znovu vyzáření na stejné vlnové délce.



Svazek světla procházející hmotou ztrácí intenzitu díky rozptylu a absorpci. 

Koeficient absorpce, b a , a rozptylu, b s, mohou být definovány – v tenké vrstvě 

tloušťky dz ztrácí svazek díky těmto procesům část své intenzity b a dz a b s dz. 

Pak je útlum úzkého svazku na vzdálenosti z dán vztahem 

I(z) = I(0) exp[-(b s + b a) z]. 

U širokého svazku se musí počítat s různým rozptylem v různých částech svazku. 

V extrémních případech, v kovech, intenzita světla klesá na 1/ e během několika 

nanometrů, zatímco při šíření v normálním skle je to 0.3 m. 

Materiály s otevřenou strukturou jako listy rostlin nabývají svoji barvu díky 

selektivní absorpci dopadajícího světla a které je vícenásobně rozptylováno ve 

struktuře. Fotosyntéza je absorpční proces a to co vidíme je nespotřebované 

(neabsorbované) zelené světlo. 

Naopak – barva kovů je dána silnou reflexí světla od povrchu. Zlato je např. jeví 

jako načervenalé protože silněji absorbuje v červené oblasti spektra a odráží 

červené světlo efektivněji. Jak je možné, že silná reflexe je svázána se silnou 

absorpcí ? Tento zmatek je řešen v 11.6.


11.5. Disperze (ohyb) a absorpce + 

index lomu 

Disperze a absorpce jsou procesy, 

které mají společný původ 

v atomárních procesech. 


Obr. Schematicky zachycuje změnu indexu 

lomu absorpčního koeficientu transparentního 

materiálu v infračervené a UV oblasti spektra. 

Lze pozorovat jasné párování mezi 

absorpčními píky a charakteristicky 

tvarovaných oscilací indexu lomu. 

Obecně lze v dielektrikách pozorovat mnoho 

takových párů. Takové ostré absorpční píky 

lze vysvětlit čarami v absorpčním spektru 

plynů. Ekvivalentní rozdělení pro materiály 

jako je sklo nebo voda ukazuje podobné 

korelace, ale s širšími čarami a přídavnými 

rysy díky vzájemným interakcím hustě 

uspořádaných atomů. 

Schematické zobrazení indexu lomu a 

absorpčního koeficientu pro materiály 

transparentní ve viditelné oblasti spektra



Každý pár oscilace – pík na obr. vzniká díky procesu ve kterém je energie 

absorbována atomy nebo molekulami. 

K excitaci elektronů v atomech dochází díky absorpci UV a viditelného světla , 

zatímco molekulární vibrace a rotace mohou být excitovány absorpcí viditelného a 

infračerveného záření až do oblasti mikrovln. 

Transparentní materiály jsou průhledné protože u těchto materiálů se objevují 

elektronové absorpce v UV oblasti a molekulární excitace v IČ oblasti – a žádné 

absorpce neleží ve viditelném spektru. 

Oblast ve které index lomu roste s rostoucí frekvencí (klesající vlnovou délkou) se 

nazývá normální disperze a oblast ve které dochází k poklesu indexu lomu zase 

anomální disperze.



11.6 Absorpce a reflektivita na kovech – studáci práce 

Dopadá- li elektromagnetická vlna na kov, tak indukuje proud volných elektronů. 

Přenos energie k elektronům je rozptýlen (ztratí se) srážkami s mřížkou kladných 

iontů, a vzniká teplo. Tímto způsobem je část vlny vstupující do kovu během krátké 

vzdálenosti zeslabena.

Absorpce, rozptyl, disperze světla.pdf - FBMI

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?