Dyfuzja fal

Dyfuzję jest zjawiskiem przy czym promieniowanie , takich jak światło, dźwięk lub wiązką cząstek jest odchylane w różnych kierunkach, poprzez oddziaływanie z innymi obiektami. Dyfuzja może być izotropowa , tj. Rozłożona równomiernie we wszystkich kierunkach lub anizotropowa . W szczególności część fali padającej, która powraca w kierunku, z którego pochodzi, nazywana jest rozproszeniem wstecznym (ang. Backscatter ). Dyfuzja może mieć miejsce ze zmianami częstotliwości lub bez. W pierwszym przypadku mówimy o dyfuzji nieelastycznej , w drugim elastycznej . Polaryzacji promieniowania padającego może być zmieniona przez rozpraszanie.

Historycznie rzecz biorąc, rozwój rozumienia zjawisk i ich modelowania jest dziełem wielu fizyków.

Definicje, właściwości

Rozpraszanie fali w centrum rozpraszania jest definiowane przez efektywną sekcję, podającą zmiany częstotliwości i kierunku padającego promieniowania. 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 to funkcja fazowa, która w większości przypadków uwzględnia symetrię cylindryczną: odchylenie jest niezależne od kierunku nadejścia . Reprezentuje rozkład kątowy o o dane i dlatego jest znormalizowana α=arccos(Ω′⋅Ω){\ Displaystyle \ alpha = \ arccos \, (\ mathbf {\ Omega} '\ cdot \ mathbf {\ Omega})}Ω{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega}}Ω′{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega} '}Ω{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega}}

∫ΩP.reΩ=1{\ displaystyle \ int _ {\ Omega} P \ mathrm {d} \ Omega = 1}

Promieniowanie charakteryzuje się luminancją określającą ilość energii dla danego przedziału częstotliwości, w danym kącie bryłowym wokół kierunku , możliwie dla danego przedziału polaryzacji. Luminancja jest zgodna z równaniem przenoszenia promieniowania, które jest liniowym równaniem różniczkowo-całkowitoliczbowym. Możemy zatem po prostu homogenizować pożywkę w następujący sposób: Ω{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega}}

• Kilka rodzajów centrów dyfuzyjnych rozmieszczonych losowo.

Biorąc pod uwagę liczbę dyfuzorów typu i na jednostkę objętości, z których każdy jest powiązany z sekcją efektywną , średnia efektywna sekcja medium wynosi nieja{\ displaystyle n_ {i}}Σja{\ displaystyle \ Sigma _ {i}}Σm{\ displaystyle \ Sigma _ {m.}}Σm=∑janiejaΣja{\ displaystyle \ Sigma _ {m} = \ suma _ {i} n_ {i} \ Sigma _ {i}}

• Losowy rozkład położenia, kształtu i wielkości centrów dyfuzyjnych.

Przekrój jest wtedy iloczynem splotu Σm=∫0∞∫ΩΣfa(nie)reΩreν{\ Displaystyle \ Sigma _ {m} = \ int _ {0} ^ {\ infty} \ int _ {\ Omega} \ Sigma \, f (n) \, \ mathrm {d} \ Omega \, \ mathrm { d} \ nu} gdzie f jest gęstością prawdopodobieństwa posiadania cząstki gatunku n o danej orientacji. Taka sytuacja występuje w przypadku cząstek niesferycznych o przypadkowej orientacji, dla których funkcja indywidualnej fazy jest dowolna ( efekt Tyndalla ). Jednak funkcja całkowitej fazy jest zgodna z symetrią cylindryczną. Ponadto zjawisko to powoduje depolaryzację światła.

Relacje te zakładają brak wielu interakcji obecnych, gdy rozmiar centrum dyfuzyjnego jest tego samego rzędu wielkości, co odległość między nimi. W przeciwnym razie mówimy o dyfuzji zależnej.

Różne rodzaje dyfuzji w zależności od pary zaangażowanych cząstek

Większość z przytoczonych poniżej zjawisk odpowiada niezależnej dyfuzji, w której transfer energii jest słaby i często kompensowany przez inne mechanizmy.

Fale elektromagnetyczne - cząstki elementarne

• Comptona jest niesprężyste rozproszenie fal elektromagnetycznych (wysokoenergetycznych: gamma, promienie , rentgenowskich ) przez wolne elektrony lub słabo związanych z atomu.
• Rozpraszania Thomsona jest elastyczna rozpraszanie fal elektromagnetycznych przez wolne elektrony o niskiej energii (na przykład w fotosferze z gwiazdką).
• Odwrotnej Comptona (dyfuzja energetycznych elektronów o niskim fotony gazu napotykanych w efekcie Sunyaev-Zeldovich ) jest przypadek multicastowych i połączeniu, w którym rozkład widmowy fotonów jest drastycznie zmieniona przez oddziaływanie. Indywidualna interakcja jest taka sama jak w przypadku rozpraszania Comptona.

Fale elektromagnetyczne - materia

Najczęściej spotykanym i najlepiej badanym przypadkiem jest dyfuzja fal elektromagnetycznych . Rozpraszanie światła lub fal radiowych (działanie radaru ) są typowymi przykładami tej zasady.

• Rozwiązania mie jest elastyczna rozpraszanie fal elektromagnetycznych. Ma to miejsce, gdy dyfuzory mają wielkość porównywalną z padającą długością fali i zawierają płatki dyfrakcyjne. Rozpraszanie Rayleigha jest przypadkiem granicznym. Teoria Mie opisuje zjawisko dla cząstek kulistych. W przypadku cząstek o dowolnym kształcie mówimy czasami o rozpraszaniu Tyndalla .
• Rozpraszania Rayleigha jest elastyczna rozpraszającej fale elektromagnetyczne o długości fali jest znacznie większy niż rozmiar elementów rozpraszających (ponad 10-krotnie większe). Ta dyfuzja jest źródłem niebieskiego koloru nieba. Kiedy kierujemy wzrok w stronę słońca lub w jego pobliże, dostrzegamy najbardziej bezpośrednie promieniowanie. Mało rozproszone przez atmosferę, mają dużą długość fali (kolor zbliżony do czerwonego). Kiedy kierujemy wzrok w inne miejsce na niebie, dostrzegamy promieniowanie, którego trajektoria od słońca jest bardzo pośrednia. Promieniowanie to wynika z rozpraszania Rayleigha, które jest bardziej wyraźne na krótkich falach (kolor dąży do fioletu).
• Ramana rozpraszania jest niesprężyste rozproszenie fal elektromagnetycznych na atomów, cząsteczek lub substancji stałych. Różnica energii między zaabsorbowanym fotonem a reemitowanym fotonem jest równa różnicy energii między dwoma stanami obrotu lub wibracji rozpraszającego obiektu. Spektroskopia Ramana jest techniką charakteryzacji materiałów zawierających tę zasadę.
• Rozpraszania Brillouin jest niesprężyste rozproszenie fal elektromagnetycznych na stałe, to odnosi się do konkretnego oddziaływania z fononów akustycznych.

Zjawisko dyfuzji może również wystąpić, gdy fala radiowa (radio, telewizja itp.) Napotyka przeszkodę, której powierzchnia nie jest idealnie płaska i gładka. Tak jest w przypadku warstw zjonizowanych, powierzchni gruntu w obszarach pagórkowatych (dla najdłuższych fal) lub powierzchni przeszkód (klify, lasy, budynki itp.) Dla fal ultrawysokich. - krótkie (powyżej kilkuset megaherców) . Podobnie jak w optyce, rozpraszanie zależy od stosunku długości fali do wymiarów przeszkód lub nieregularności na powierzchni przeszkód odbijających. Mogą być tak różne, jak zasłony przeciwdeszczowe (w kuchence mikrofalowej ) lub zjonizowane strefy podczas polarnych zórz polarnych .

Cząstki elementarne - materia

Jest to oddziaływanie naładowanych cząstek z jądrem atomu (dyfuzje Rutherforda , Motta ).

Reżimy dyfuzji w zależności od długości fali i wielkości centrum dyfuzyjnego

Zasadniczo istnieją trzy reżimy rozpraszania, w zależności od charakterystycznej wielkości elementów rozpraszających w odniesieniu do rozpatrywanej długości fali:

• reżim zwierciadlany: dyfuzory są duże w porównaniu z długością fali promieniowania. Fizyka dostosowana do tej skali to optyka geometryczna . Słowo specular określa kierunek, w którym odbija się światło, zgodnie z prawami Kartezjusza  ;
• reżim rezonansowy: w tym pośrednim przypadku rozmiar dyfuzorów jest rzędu wielkości długości fali . Tak jest na przykład w przypadku siatek dyfrakcyjnych ;
• reżim rozpraszania Thomsona lub Rayleigha: centra rozpraszania są małe w porównaniu z długością fali.

Aplikacje

Zrozumienie zjawisk dyfuzji jest bardzo ważne, zwłaszcza dla sektora medycznego: większość medycznych technik obrazowania wykorzystuje dyfuzję. Możemy również rozważyć zastosowania militarne (wykrywanie czołgów w wilgotnej dżungli  itp .). Wreszcie, kilka technik spektroskopii (lub „spektrometrii”) wykorzystuje zasady rozpraszania.

Backscatter

Najpopularniejszym obszarem wykorzystania transmisji jest komponent rozpraszania wstecznego. LIDAR The radaru i sonaru wszystkie wykorzystują właściwości celu powrotu do części energii padającego do sygnałów nadajnika i odbiornika dodatkowego. Ogólnie rzecz biorąc, użyjemy zakresu rozpraszania Rayleigha, aby uzyskać proporcjonalność między sygnałem zdarzenia a powrotem.

Rozpraszania jest również w falowodów i włóknach optycznych w celu wykrycia defektów produkcyjnych. Rzeczywiście, rozpraszanie Rayleigha stopniowo osłabia sygnał w kierunku propagacji, a niedoskonałości spowodują zwrócenie dużej jego części do źródła. Mierząc powrót, możemy obliczyć straty w przewodniku lub światłowodzie bez konieczności ich przecinania w celu wprowadzenia urządzenia mierzącego straty bezpośrednio na podstawie różnicy sygnału z nadajnika.

Dyfuzja przez powierzchnię

Dyfuzja przez powierzchnię, stosowana do koncepcji prostego odbicia , dwukierunkowego odbicia , emisyjności jest szczególnym przypadkiem rozpraszania wstecznego. Polega ona na nadaniu hipotetycznie gładkiej powierzchni jednorodnego materiału równoważnych właściwości wynikających z procesów objętościowych opisanych powyżej.

Parch

W plamki stanowią szczególny przypadek dyfuzji wynikającą z oddziaływania wiązki spójne z niejednorodnym środowisku.

Uwagi

1. Dyfuzja nie jest zgodna z równaniem dyfuzji, takim jak równanie ciepła .
2. Wysoka lub niska energia odnosi się do ilości zredukowanej, gdzie jest masą elektronu, a c prędkością światła. Odpowiednia niska energiaϵν=godzνmmivs2{\ Displaystyle \ epsilon _ {\ nu} = {\ Frac {h \ nu} {m_ {e} c ^ {2}}}}mmi{\ displaystyle m_ {e}}ϵν<<1{\ displaystyle \ epsilon _ {\ nu} << 1}

Bibliografia

1. (w) Milton Kerker, Rozpraszanie światła i inne promieniowanie elektromagnetyczne , Academic Press, 1969
2. (w) Michael M. Modest, Radiative Heat Transfer , Academic Press, 2003 ( ISBN  0-12-503163-7 )
3. Jean-Jacques Greffet, Dyfuzja promieniowania , Kurs Wyższej Szkoły Optyki, 2003