lysspredning

Lysspredning er en vekselvirkning mellem lys og stof, hvorved lysets retning ændres. Hvis der er tale om lysspredning fra et materiales overflade, kaldes fænomenet ofte diffus refleksion. Lysspredning kategoriseres typisk ved forholdet mellem lysets bølgelængde og den spredende strukturs størrelse. Desuden inddeles lysspredning i enten elastiske eller uelastiske spredninger. Ved elastisk spredning sker der ingen ændring i lysets bølgelængde, og dermed ingen energiudveksling. Ved uelastisk spredning ændres lysets bølgelængde, idet der enten afgives eller modtages energi fra det spredende medie. Sammen med absorption udgør lysspredning de to vigtigste fysiske fænomener, som bestemmer, hvordan vi ser og opfatter omverdenen.

Faktaboks

Etymologi: Ordet spredning er i denne sammenhæng en oversættelse af det latinske dispersio, men i optisk sammenhæng betegner dispersion farvespredning, fx i et prisme.

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 karakteriserer effekten af vekselvirkning mellem lys og små strukturer. I optik benyttes begrebet kvasi-elastisk spredning til at beskrive de situationer, hvor 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.

Typer af lysspredning

Rayleigh-spredning

Rayleigh-spredning beskriver 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.

Rayleigh-spredning forklarer på samme tid to slående naturfænomener: Den røde sol ved solopgang og solnedgang og den blå himmel. Den blå himmel skyldes, at Rayleigh-spredning er dominerende i den øvre atmosfære og at blåt lys spredes meget mere effektivt end rødt lys. Når solen morgen og aften står lavt på himlen, er lysets vej gennem atmosfæren frem til vores øjne lang, og på vejen undergår lyset Rayleigh-spredning, som fortrinsvist fjerner den blå del af sollyset, således at det lys, der når frem til os er domineret af de røde farver. Et typisk spredningsdiagram for Rayleigh spredning er vist i figur 1.

Lorenz-Mie-spredning

Figur 2. Lorentz-Mie-spredning beskriver lysspredning, hvor 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 beskriver spredning fra partikler, som ikke er små i forhold til lysets bølgelængde. Her bliver beskrivelsen mere kompliceret. 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 2. Det fremadspredte lys fra partikler i atmosfæren, der er større end lysets bølgelængde, kan bidrage til den røde solnedgang.

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 3.

Raman-spredning

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

Thomson- og Compton-spredning

Thomson- og Compton-spredning (Comptoneffekt) er betegnelser for lysspredning ved vekselvirkning med elektrisk ladede partikler – typisk elektroner. De beskriver grundlæggende samme proces, men hvor Thomson-spredning for lys er kvasielastisk, er Compton-spredning karakteriseret ved at lysfrekvensen ændres væsentligt i spredningsprocessen.

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