Vlnová difúze

Difúze je jev, přičemž záření , jako je světlo, zvuk nebo svazku částic , je vychýlen v různých směrech od interakcí s jinými předměty. Difúze může být izotropní , tj. Distribuovaná rovnoměrně ve všech směrech, nebo anizotropní . Zejména zlomek dopadající vlny, který se vrací ve směru, odkud pochází, se nazývá zpětný rozptyl ( anglický zpětný rozptyl ). Difúze může probíhat s frekvenčními variacemi nebo bez nich. Mluvíme o nepružné difúzi v prvním případě, elastickém ve druhém. Polarizace dopadajícího záření je možno změnit rozptyl.

Historicky byl vývoj porozumění jevům a jejich modelování dílem mnoha fyziků.

Definice, vlastnosti

Rozptyl vlny na rozptylovacím středu je definován efektivní částí, která udává změnu frekvence a směru dopadajícího záření. Σ=σ(ν→ν′)P(Ω→Ω′){\ displaystyle \ Sigma = \ sigma (\ nu \ rightarrow \ nu ') P (\ mathbf {\ Omega} \ rightarrow \ mathbf {\ Omega}')}ν′-ν{\ displaystyle \ nu '- \ nu}Ω′-Ω{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega} '- \ mathbf {\ Omega}}

P je fázová funkce, která ve většině případů respektuje válcovou symetrii: odchylka je nezávislá na směru příjezdu . To představuje úhlové rozdělení na pro daný a je proto normalizován α=arccos(Ω′⋅Ω){\ displaystyle \ alpha = \ arccos \, (\ mathbf {\ Omega} '\ cdot \ mathbf {\ Omega})}Ω{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega}}Ω′{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega} '}Ω{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega}}

∫ΩPdΩ=1{\ displaystyle \ int _ {\ Omega} P \ mathrm {d} \ Omega = 1}

Záření je charakterizováno jasem, který udává množství energie pro daný frekvenční interval, v daném pevném úhlu kolem směru , případně pro daný polarizační interval. Luminance se řídí radiační přenosovou rovnicí, což je lineární integro-diferenciální rovnice. Médium tedy můžeme jednoduše homogenizovat následujícím způsobem: Ω{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega}}

• Několik typů rozptylujících center umístěných náhodně.

Vzhledem k počtu difuzorů typu i na jednotku objemu, z nichž každý je spojen s efektivní sekcí , je průměrná efektivní část média nei{\ displaystyle n_ {i}}Σi{\ displaystyle \ Sigma _ {i}}Σm{\ displaystyle \ Sigma _ {m}}Σm=∑ineiΣi{\ displaystyle \ Sigma _ {m} = \ součet _ {i} n_ {i} \ Sigma _ {i}}

• Náhodné rozdělení polohy, tvaru a velikosti rozptylujících center.

Průřez je pak výsledkem konvoluce Σm=∫0∞∫ΩΣF(ne)dΩdν{\ displaystyle \ Sigma _ {m} = \ int _ {0} ^ {\ infty} \ int _ {\ Omega} \ Sigma \, f (n) \, \ mathrm {d} \ Omega \, \ mathrm { d} \ nu} kde f je hustota pravděpodobnosti výskytu částice druhu n s danou orientací. Tato situace nastává v případě nesférických částic s náhodnou orientací, pro které je jednotlivá fázová funkce libovolná ( Tyndallův efekt ). Funkce celkové fáze však respektuje válcovou symetrii. Kromě toho tento jev způsobuje depolarizaci světla.

Tyto vztahy předpokládají absenci vícenásobných interakcí, když je velikost rozptylovacího centra stejného řádu jako vzdálenost mezi dvěma z nich. Jinak mluvíme o závislé difúzi.

Různé typy difúze v závislosti na dvojici zúčastněných částic

Většina níže uvedených jevů odpovídá nezávislé difúzi, při které je přenos energie slabý a často kompenzován jinými mechanismy.

Elektromagnetické vlny - elementární částice

• Comptonův rozptyl je nepružný rozptyl elektromagnetických vln (vysokoenergetických: y-paprsky , X-paprsky ) o volné elektrony, nebo slabě vázaných na atomu.
• Thomson rozptyl je pružný rozptyl elektromagnetických vln od volných elektronů s nízkou energií (např. V photosphere hvězdy).
• Reverzní Comptonův rozptyl (difúze energetických elektronů s nízkou fotonů plynu vyskytly při účinku Sunyaev-Zeldovich ) je případ multicast a spojený, kde je spektrální rozložení fotonů se drasticky změnila interakcí. Individuální interakce je stejná jako Comptonův rozptyl.

Elektromagnetické vlny - hmota

Nejčastěji se setkáváme s případy difúze elektromagnetických vln . Rozptyl světelných nebo rádiových vln (činnost radaru ) jsou běžnými příklady tohoto principu.

• Mie rozptyl je pružný rozptyl elektromagnetických vln. Probíhá, když mají difuzory velikost srovnatelnou s dopadající vlnovou délkou a zahrnují difrakční laloky. Rayleighův rozptyl je hraničním případem. Teorie Mie popisuje jev pro kulovité částice. U částic jakéhokoli tvaru někdy mluvíme o Tyndallově rozptylu .
• Rayleighův rozptyl je pružný rozptyl elektromagnetických vln, jejichž vlnová délka je mnohem větší, než je velikost rozptylových prvků (více než 10 krát vyšší). Tato difúze je původem modré barvy oblohy. Když zaměřujeme svůj pohled směrem ke slunci nebo v jeho blízkosti, vnímáme nejpřímější záření. Jsou málo rozptýleny atmosférou a mají dlouhou vlnovou délku (barva směřující k červené barvě). Když směrujeme svůj pohled jinam na oblohu, vnímáme záření, jehož trajektorie ze slunce je velmi nepřímá. Tato záření jsou výsledkem Rayleighova rozptylu, který je výraznější pro krátké vlnové délky (barva směřující k fialové).
• Ramanův rozptyl je nepružný rozptyl elektromagnetických vln na atomů, molekul, nebo pevné látky. Rozdíl v energii mezi absorbovaným fotonem a znovu emitovaným fotonem se rovná rozdílu v energii mezi dvěma stavy otáčení nebo vibrací rozptylového objektu. Ramanova spektroskopie je technika pro charakterizaci materiálů obsahujících tuto zásadu.
• Brillouinův rozptyl je nepružný rozptyl elektromagnetických vln na pevné látky, se vztahuje na konkrétní interakce s fonony akustickou.

Fenomén difúze může také nastat, když rádiová vlna (rádio, TV atd.) Narazí na překážku, jejíž povrch není dokonale plochý a hladký. To je případ ionizovaných vrstev, povrchu země v kopcovitých oblastech (pro nejdelší vlnové délky) nebo povrchu překážek (útesy, lesy, budovy atd.) Pro ultravlny - krátký (nad několik set megahertzů) . Stejně jako v optice závisí rozptyl na poměru mezi vlnovou délkou a rozměry překážek nebo nepravidelností na povrchu odrážejících překážek. Ty mohou být stejně rozmanité jako dešťové clony ( mikrovlnné ) nebo ionizované zóny během polárních polárních záře .

Elementární částice - hmota

Jedná se o interakci nabitých částic s jádrem atomu ( Rutherford , Mottovy difuze ).

Difúzní režimy podle vlnové délky a velikosti rozptylovacího centra

Obecně existují tři režimy rozptylu v závislosti na charakteristické velikosti rozptylových prvků s ohledem na uvažovanou vlnovou délku:

• zrcadlový režim: difuzory jsou velké ve srovnání s vlnovou délkou záření. Fyzikou přizpůsobenou tomuto měřítku je geometrická optika . Slovo zrcadlový označuje směr, ve kterém se světlo odráží podle Descartových zákonů  ;
• rezonanční režim: v tomto přechodném případě je velikost difuzorů řádově velikosti vlnové délky . To je například případ difrakčních mřížek ;
• Thomsonův nebo Rayleighův rozptylový režim: rozptylovací centra jsou malá ve srovnání s vlnovou délkou.

Aplikace

Pochopení difúzních jevů je velmi důležité zejména pro lékařský sektor: většina lékařských zobrazovacích technik používá difúzi. Můžeme také zvážit vojenské aplikace (detekce tanků ve vlhké džungli  atd. ). Nakonec několik technik spektroskopie (neboli „spektrometrie“) využívá principů rozptylu.

Zpětný rozptyl

Nejběžnější oblastí použití rozptylu je jeho zpětný rozptyl. Lidar je radar a sonar všechny využívají vlastnost terče vrátit část dopadající energie signálu vysílače nebo sekundární přijímače. Obecně použijeme rozsah Rayleighova rozptylu k získání proporcionality mezi dopadajícím signálem a návratem.

Zpětný rozptyl se také používá ve vlnovodech a optických vláknech k detekci výrobních vad. Rayleighův rozptyl ve skutečnosti postupně tlumí signál ve směru šíření a nedokonalosti vrátí jeho velkou část ke zdroji. Měřením návratnosti můžeme vypočítat ztráty ve vodítku nebo vlákně, aniž bychom jej museli řezat, abychom zavedli zařízení, které přímo měří ztráty rozdílu signálu z vysílače.

Difúze povrchem

Difúze po povrchu, zvyklá na koncepty odrazivosti jednoduchá, obousměrná odrazivost , emisivita je zvláštním případem zpětného rozptylu. Spočívá v poskytnutí, pro hypotetický hladký povrch homogenního materiálu, ekvivalentních vlastností vyplývajících z objemových procesů popsaných výše.

Strup

Tyto skvrny představují zvláštní případ difúze vyplývající z interakce koherentního svazku s nehomogenním prostředí.

Poznámky

1. Difúze neposlouchá difuzní rovnici, jako je rovnice tepla .
2. Vysoká nebo nízká energie označuje sníženou veličinu, kde je hmotnost elektronu ac rychlost světla. Nízká energie odpovídáϵν=hνmEvs.2{\ displaystyle \ epsilon _ {\ nu} = {\ frac {h \ nu} {m_ {e} c ^ {2}}}}mE{\ displaystyle m_ {e}}ϵν<<1{\ displaystyle \ epsilon _ {\ nu} << 1}

Reference

1. (in) Milton Kerker, The Scattering of Light and other Electromagnatic Radiation , Academic Press, 1969
2. (in) Michael M. Modest, Radiative Heat Transfer , Academic Press, 2003 ( ISBN  0-12-503163-7 )
3. Jean-Jacques Greffet, Difúze záření , Kurz Vyšší školy optiky, 2003