Spridning av ljus av partiklar

Ljusspridning av partiklar är en  process där små partiklar (till exempel iskristaller, dammpartiklar, atmosfäriska partiklar, kosmiskt damm) skapar optiska fenomen, såsom en regnbåge , blå himmel , halo .

Maxwells ekvationer är grunden för teoretiska och beräkningsmetoder som beskriver spridningen av ljus, men eftersom de exakta lösningarna av Maxwells ekvationer är kända endast för ett fåtal geometriska kroppar (som en sfärisk partikel), är spridningen av ljus med partiklar en studieområde i beräkningselektromagnetism, som handlar om spridning och absorption av elektromagnetisk strålning av partiklar.

I fallet med geometriska kroppar för vilka analytiska lösningar är kända (såsom sfärer, kluster av sfärer, oändliga cylindrar), beräknas lösningen vanligtvis som oändliga serier . När det gäller mer komplexa geometriska kroppar och för inhomogena partiklar övervägs och löses en diskret implementering av Maxwells ekvationer. Effekten av multipel spridning av ljus av partiklar studeras med metoder för teorin om strålningsöverföring.

Den relativa storleken för en spridande partikel bestäms av storleksparametern som representerar förhållandet mellan den karakteristiska partikelstorleken och våglängden

Exakta beräkningsmetoder

Ändlig skillnadsmetod i tidsdomänen

Den finita differensmetoden tillhör den allmänna klassen av numeriska simuleringsmetoder för rutnätsdifferenser. Tidsberoende Maxwells ekvationer (i form av partiella differentialekvationer) betraktas i diskret form, och skillnadsformler används för att approximera partiella derivator. De resulterande ekvationerna kan till exempel lösas med en metod av språngtyp: komponenterna i den elektriska fältvektorn i rymdens volym bestäms för ett givet ögonblick, sedan komponenterna i magnetfältsvektorn i samma volym element bestäms för nästa ögonblick i tiden; processen upprepas.

Matris T

Denna metod kallas också metoden för utökade randvillkor. Matriselement erhålls genom att korrelera randvillkor och lösningar av Maxwells ekvationer. De infallande, sända och spridda fälten utökas i termer av sfäriska vektorvågsfunktioner.

Approximationer i beräkningsmetoder

Approximation Mi

Spridning av någon sfärisk partikel med en godtycklig storleksparameter betraktas inom ramen för Mie-teorin , även kallad Lorentz-Mi eller Lorentz-Mee-Debye-teorin, som är en helt analytisk lösning av Maxwells ekvationer för spridning av elektromagnetisk strålning genom sfäriska partiklar (Bohren och Huffman, 1998).

För mer komplexa strukturer som skalade sfärer, multisfärer, sfäroider, oändliga cylindrar, finns generaliseringar som uttrycker lösningen i termer av oändliga serier. Det finns program som gör det möjligt att studera ljusspridning i Mie-approximationen för sfärer, system av sfäriska skal och cylindrar.

Diskret dipolapproximation

Det finns flera metoder för att beräkna spridningen av strålning av partiklar av godtycklig form. Den diskreta dipolapproximationen är approximationen av en kontinuerlig kropp med användning av en ändlig uppsättning polariserbara punkter. Prickarna får ett dipolmoment som ett resultat av deras svar på ett lokalt elektriskt fält. Dipolerna för sådana punkter interagerar med varandra genom elektriska fält.

Ungefärliga metoder

Rayleigh spridning

Rayleigh-spridning är spridningen av ljus eller annan elektromagnetisk strålning av partiklar som är mycket mindre än ljusets våglängd. Rayleigh-spridning kan definieras som spridning vid en liten storleksparameter .

Geometrisk optik

Strålspårning kan användas för att studera spridningen av ljus av sfäriska och icke-sfäriska partiklar, förutsatt att partikelstorleken är mycket större än ljusets våglängd. I det här fallet kan ljus betraktas som en uppsättning individuella strålar, men strålarnas bredd bör vara mycket större än våglängden och mindre än partikelstorleken. Strålar som träffar ytan av en partikel reflekteras, bryts och diffrakteras . Strålarna lämnar partikeln i olika vinklar med olika amplituder och faser. Strålspårningsmetoden används för att beskriva sådana optiska fenomen som en regnbåge, en halo på hexagonala iskristaller.

Litteratur