lysspredning

Lys, der vekselvirker med små partikler, har en helt afgørende rolle for fysikken i vort univers. Små partikler kan være alt fra atomer og molekyler til store regndråber og sne. Lysspredning spiller en afgørende rolle for hvordan vi ser og opfatter omverdenen, men den har også en betydelig rolle for de processer, der er bestemmende for udviklingen i klima og miljø. Forskellige former for lysspredning kan benyttes til bestemmelse af en lang række fysiske egenskaber i materialer og systemer.

Spredning som fysisk begreb benyttes til karakterisering af effekten af vekselvirkningen mellem partikler, eller mellem bølger og partikler. Lysspredning (på engelsk light scattering) karakteriserer effekten af vekselvirkning mellem lys og små strukturer. Ordet spredning er i denne sammenhæng en oversættelse af latin dispersio, men i optisk sammenhæng betegner dispersion farvespredning, fx i et prisme, men ikke lysspredning.

Lysspredning kan være baseret på elastisk eller uelastisk vekselvirkning Ved elastisk spredning sker der ingen ændring i lysets bølgelængde eller frekvens. Ved uelastisk spredning ændres bølgelængden idet der enten afgives eller modtages energi fra det spredende medie. I optik benyttes begrebet kvasi-elastisk spredning ofte. Ved kvasi-elastisk lysspredning er ændringen i lysfrekvensen meget mindre end lysets oprindelige frekvens. Dette er fx tilfældet ved spredning fra partikler, der bevæger sig med ikke-relativistiske hastigheder. Begrebet kvasi-elastisk spredning blev oprindeligt indført i forbindelse med neutronspredning.

Lysspredning kan kort opdeles som illustreret i figur 1.

Typer af lysspredning

Rayleigh-spredning

Rayleigh-spredning er spredning fra objekter, der er meget mindre end lysets bølgelængde. Det kan være atomer eller molekyler eller også små termiske initierede tæthedsvariationer. Intensiteten af det spredte lys er omvendt proportional med lysets bølgelængde i fjerde potens. Derfor spredes det blå lys langt mere effektivt end det røde lys. Den blå himmel skyldes netop, at Rayleigh-spredning er dominerende i den øvre atmosfære. Et typisk spredningsdiagram for Rayleigh spredning er vist i figur 2.

Lorenz-Mie-spredning

Figur 3. Lorents-Mie-spredning er dominerende, når de spredende partikler er større end lysets bølgelængde. Det er her karakteristisk, at det fremadspredte lys er meget kraftigere end det bagudspredte lys. Man kan sammenligne med en bilrude, hvor sollyset kommer ind forfra. Her vil spredt lys fra partikler (snavs) på ruden være meget kraftigt. Men kommer sollyset bagfra, er det spredte lys langt mindre generende. Betegnelsen er opkaldt efter danskeren Lorenz og tyskeren Mie, der uafhængigt af hinanden udviklede teorien for spredning fra små kugleformede partikler.

Spredningsdiagram for Lorents-Mie-spredning

Af Lars Lading.

Licens: CC BY SA 3.0

Lorenz-Mie-spredning er spredning fra partikler, som ikke er små i forhold til lysets bølgelængde. Her er forholdene ret komplicerede. Teorien blev oprindeligt udviklet af danskeren Ludvig Valentin Lorenz i 1880. Tyskeren Mie udviklede teorien uafhængigt af Lorenz og publicerede resultaterne i 1908. Teorien blev tidligere betegnet Mie-spredning, men i anerkendelse af, at Lorenz var først med teorien, benyttes nu betegnelsen Lorenz-Mie-spredning. Lorenz-Mie-spredning er i princippet elastisk spredning og kan bl.a. benyttes til bestemmelse af fx luftforurening.

Et karakteristisk spredningsdiagram for Lorenz-Mie spredning er vist i figur 3. Den røde solnedgang skyldes netop, at her dominerer fremadspredt lys og blåt lys er kraftigt dæmpet.

Hvis partiklerne er i bevægelse, kan kvasi-elastisk lysspredning benyttes til at bestemme partikelstørrelse, men også til måling af hastighed i væsker og gasser med stor tidslig og rumlig opløsning.

Brillouin-spredning

Brillouin-spredning er en form for diffraktion, der fremkommer ved vekselvirkning mellem lys og materiale bølger – fx akustiske – i et medium. Diffraktionen fremkommer via den periodiske struktur, mens et frekvensskift fremkommer på grund af bølgens bevægelse. Effekten kan opfattes som en Doppler-effekt. Princippet for Brillouin-spredning er vist i figur 4.

Fluorescens

Fluorescens er en proces, hvor lys absorberes af molekyler, som derved kommer i en såkaldt exciteret tilstand, men henfalder hurtigt og typisk til en højere energitilstand end den oprindelige. Ved henfaldet udsendes lys med en længere bølgelængde end excitationslysets bølgelængde. Er der en længere tidsforsinkelse mellem absorption og udsendelse, kaldes processen fosforescens.

Raman-spredning

Raman-spredning (Raman-effekt) er lys, der vekselvirker med rotations- og vibrationstilstande i molekyler. Denne metode er velegnet til undersøgelse af molekyler.

Thomson og Compton-spredning

Thomson og Compton-spredning (Comptoneffekt) er betegnelser for lysspredning ved vekselvirkning med elektrisk ladede partikler – typisk elektroner.

Læs mere i Lex

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

Fagansvarlig for Optik

Peter Balling

Professor, Aarhus Universitet