Невнимательные волны или рассеянный свет. Часть II.
Часть I:
http://vk.com/id14003074?w=wall14003074_1362%2Fall
Думаете на этом все рассеяние исчерпывается? Да не тут то было! Все виды рассеяния, о которых мы говорили ранее не меняют частоты рассеянного света. Т.е. если мы посветим зеленой лазерной указкой, то мы увидим зеленый луч. Однако это не всегда так. Давайте посмотрим на жидкость. Звуковая волна в ней - это периодичность уплотнений и разряжений. Но как мы видели ранее - на уплотнениях рассеивается свет. Чем же отличаются уплотнения в звуковой волне от случайно возникших уплотнений в газе? Да тем что в звуковой волне эти уплотнения движутся! Я практически представляю, как половина с железным лицом спросит: и что? Ну движутся и движутся. Дело в том, что есть такая штука, как эффект Доплера. Таким образом эти уплотнения превращаются как бы в движущийся источник света и получающиеся электромагнитные волны изменяют свою частоту. По дебаевской теории теплоемкости твердых тел, вся кинетическая энергия движения атомов в кристаллической решетке представляет собой просто напросто суперпозицию звуковых волн разной частоты. Так получается, что в любом рассеянии света на кристалле получающийся свет сдвинут по частотам в верхнюю и нижнюю сторону (Знающий читатель заметит, что существует и несмещенная компонента, рассеяние на флуктуациях энтропии Ландау-Плачека). Однако такое изменение частоты, вызванное эффектом Доплера очень невелико. Изначально этот эффект был теоретически предсказан независимо друг от друга Мандельштамом и Бриллюэном. Посему, рассеяние с изменением частоты на звуковых волнах носит название явления рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.
Молекулярное рассеяние легко обнаружить в газах, молекулы там движутся достаточно свободно и вполне вероятны образования уплотнений. Чуть сложнее дело обстоит в жидкостях, но в принципе тоже подается исследованию. А вот с кристаллами все несколько сложнее. Дело в том, что в природе почти не встречается монокристаллов. Почти все кристаллические тела в природе - это набор небольших кристалликов, с разной ориентацией, спаянных вместе. Посему, если мы посветим на кристаллическое тело, то свет будет рассеиваться в основном не случайными уплотнениями атомов, а границами между различными кристалликами. Так стекло практически прозрачно, но если его растереть в порошок, то оно совсем не прозрачно, свет отражается и преломляется на границах каждого кусочка. И с исследованием рассеяния в кристаллических телах связана очень интересная история. Такую работу в начале 20-х годов XX века впервые взяли на себя заслуженные советские физики Мандельштам и Ландсберг (да, тот самый автор элементарного учебника по физике и хорошей книжки по оптике).
Самым дешевым и доступным в природе монокристаллом, пожалуй является кристалл кварца. В дореволюционной России кварц использовали как печати знатных семей. И после революции такие печати заполнили магазины безделушек. Такие печати в огромных объемах скупал Григорий Самуилович Ландсберг, по большей части за свои кровные и искал лучшие образцы, без повреждений, случайных помутнений и искривлений кристаллической решетки. Но даже самые лучшие образцы не были лишены изъянов. Для этого Мандельштамом и Ландсбергом была проведена сложная работа по измерению интенсивности рассеянного света от тепратуры, рассеяние на молекулярных уплотнениях зависели от температуры, а на случайных искривлениях кристаллической решетки - нет. И после множества сложных подготовительных работ настало время эксперимента. И тут случилось нечто невообразимое. Для каждой частоты рассеянного света наблюдались две добавочные частоты, причем отклонение этих частот было чудовищно большим. И конечно, как водится у тру-ученных, первая идея - установка глючит! Началась сложная работа по отделению нежелательных бликов от стекол и тому подобному. Провели эксперимент еще раз... И опять. И уже, когда все что можно устранить - устранили, тогда-то и поняли, дело тут не чисто. Но немного подумав, тем паче Мандельштам уже имел дело с написанием теории рассеяния на кристаллах, они смекнули в чем дело. Это явление было принципиально новым. И к февралю 1928 года статья была готова, с верным теоретическим обоснованием, как классическим, так и квантовомеханическим. Но... Тут в дело вмешался случай. Родственника Мандельштама арестовали и так получилось, что Леонид Исаакович был единственным шансом на спасение. И в связи с этим неприятным инцидентом работа увидела свет только в середине июля. Но время было уже безнадежно утеряно. 21 апреля 1928 года вышла в печать работа индийского физика Рамана, который наблюдал аналогичное явление в жидкостях. И вроде бы что там, 4 месяца по меркам науки мелочи. Но это просто по незнанию кто такой Раман.
Начнем с того, что Раман достаточно долгое время исследовал рассеяние Мандельштама-Бриллюэна в жидкостях. И обнаружил очень большое отклонение частоты, которое не могло быть объяснено в рамках исследуемого явления. Раман не смог найти объяснения этому явлению. И тут понеслось... Тогда, год назад, в 1927 году Нобелевскую премию получил Артур Комптон, за свое по тем временам революционное открытие. И Раман, вдохновленный внешним сходством (ну а что, и там и там частота меняется), но не особо заботивший себя расчетом и пониманием явления начал называть свое открытие «Оптическим аналогом эффекта Комптона». Точно не скажу, но вроде именно так и называлась его первая статья. Потом, он связывал свое открытие с отрицательным поглощением среды, которое было предсказано теоретически, но не открыто экспериментально. Чтобы вы понимали, отрицательное поглощение было предсказано небезызвестным немецким физиком теоретиком, который к тому времени стал, вероятно самой известной личностью в науке, да что уж говорить, таким остается и до сих пор. Какие только объяснения не предлагал Раман для своего явления, с какими известными открытиями не связывал свое... И лишь спустя чуть более полугода, по статьям Дарвина, явно указывающего, что Мандельштам и Ландсберг независимо от него открыли то же явление, но которые дали верное теоретическое обоснование... Но после этой статьи Раман начал утверждать, что наблюдал это явление в 1925 году, хотя доподлинно известно, что тогда он наблюдал флуоренисценцию... Означало ли это, что он не различал явление флуоренисценции и комбинационного рассеяния света?.. Весь конец 1928 года и 1929 год он спамил самых именитых ученных, о своем открытии, утверждая, что это новая веха в науке... Хотя сам даже не дал верного теоретического обоснования явления. Так или иначе, Нобелевскую премию за 1930 год получил один только Раман.
Я бы не стал называть решение нобелевского комитета политическим. Скорее все-таки сыграла роль настойчивость и излишняя самоуверенность Рамана. В то время как Ландсберг и Мандельштам напечатали лишь пару статей и ограничились этим, занимаясь наукой, а не излишней саморекламой. Это решение нобелевского комитета повлекло некоторую возмущенность со стороны русского научного сообщества. Так в иностранной литературе явление носит название Раман-эффекта, в то время, как в русскоязычной литературе как правило явление называют комбинационным рассеянием света. Но да ладно об истории, давайте к физике.
Явление комбинационного рассеяния связанно вот с каким забавным фактом. При поглощении фотона может случиться такая забавная штука, что часть его энергии перейдет в энергию колебательного движения ядер в молекуле. Штука забавная в том смысле, что переходит только часть энергии. Тогда испущенный вновь фотон будет иметь меньшую энергию, а значит меньшую частоту. Может же быть обратная ситуация, если молекула колебалась и поглотила фотон, а излучив другой, перестала колебаться. Тогда вся энергия фотона пойдет на увеличение частоты света. Вот такая простая штука. Никакого комптон-эффекта, никакой флуоренисценции, как вы могли заметить.
Явление комбинационного рассеяния света стало чрезвычайно полезно в химии. Ведь энергия колебаний зависит от типа молекулы. И по смещению частоты можно определить, какая же молекула рассеяла этот свет. Так работают раман-спектрографы, они облучают вещество светом какой-то определенной частоты и смотрят, какие же вещества рассеивают свет. По относительной интенсивности определяют процентное содержание данного вещества.
Безусловно, я не затронул огромное количество моментов в рассеянии света, например, вынужденное рассеяние, да что там, даже не сказал поляризации рассеянного света, рассеяния на флуктуация анизотропии и куча интересных ништяков. Невозможно объять необъятное. И так пост довольно большой получился.
Спасибо, что читаете это, ставите лайки и двигаете интерес к науке в массы. Подписывайтесь на Задачник Ботана, не давайте своим мозгам засохнуть. А закончить хотелось бы перефразировав заключительную фразу одного из лучших русскоязычных фантастических романов: Физики для всех, даром, пусть никто не уйдет обиженным!