Dispersión

Dispersión es un proceso físico general por el que algunas formas de radiación, por ejemplo luz, sonido o las partículas móviles, por ejemplo, se fuerzan desviarse de un recto trayectoria por unas o más no-uniformidades localizadas en el medio con el cual pasan. En uso convencional, esto también incluye la desviación de la radiación reflejada del ángulo predicho por ley de la reflexión. Las reflexiones que experimentan la dispersión se llaman a menudo difuso se llaman las reflexiones y unscattered reflexiones specular reflexiones (mirror-like).

Los tipos de no-uniformidades que pueden causar la dispersión, conocidos a veces como scatterers o dispersión de centros, sea demasiado numeroso enumerar, pero una muestra pequeña incluye partículas, burbujas, gotitas, fluctuaciones de la densidad en líquidos, defectos en sólidos cristalinos, la aspereza superficial, las células en organismos, y las fibras del textil en la ropa. Los efectos de tales características en la trayectoria de casi cualquier tipo de propagar la onda o la partícula móvil se pueden describir en el marco de dispersión de teoría.

Dispersión sola y múltiple

Cuando la radiación es dispersada solamente por un centro localizado de la dispersión, se llama esto sola dispersión. Es muy común que dispersando los centros están agrupados juntos, y en esos casos la radiación puede dispersar muchas veces, se conoce que como dispersión múltiple. La diferencia principal entre los efectos de la dispersión sola y múltiple es que la sola dispersión puede ser tratada generalmente pues un fenómeno al azar y una dispersión múltiple es generalmente más deterministas. Porque la localización de un solo centro de la dispersión no es generalmente bien sabido concerniente a la trayectoria de la radiación, el resultado, que tiende para depender fuertemente de la trayectoria entrante exacta, aparece al azar a un observador. Este tipo de dispersión sería ejemplificado por un electrón que es encendido en un núcleo atómico. En que el caso, la posición exacta del átomo concerniente a la trayectoria del electrón es desconocido y sería inmensurable, así que la dirección exacta del electrón después de que la colisión sea desconocida, más la naturaleza quántum-mecánica de esta interacción particular también hace la interacción al azar. La sola dispersión por lo tanto es descrita a menudo por distribuciones de la probabilidad.

Con la dispersión múltiple, la aleatoriedad de la interacción tiende para ser hecha un promedio hacia fuera por el número grande de dispersar acontecimientos, de modo que la trayectoria final de la radiación aparezca ser una distribución determinista de la intensidad. Esto es ejemplificada por un rayo de luz que pasa con densamente niebla. La dispersión múltiple es altamente análoga a difusión, y los términos dispersión múltiple y difusión sea permutable en muchos contextos. Los elementos ópticos diseñados para producir la dispersión múltiple se conocen así como difusores.

La dispersión no no todo sola es al azar, sin embargo, pues un rayo laser bien-controlado se puede colocar exactamente a la dispersión de una partícula microscópica con un resultado determinista. Tales situaciones se encuentran en el radar que dispersa también, donde las blancos tienden para ser objetos macroscópicos tales como gente o avión.

Semejantemente, la dispersión del múltiplo puede a veces tener resultados algo al azar, particularmente con la radiación coherente. Las fluctuaciones al azar en la intensidad multiplicar-dispersada de la radiación coherente se llaman puntos. El punto también ocurre si las partes múltiples de una onda coherente dispersan de diversos centros. En ciertas circunstancias raras, la dispersión del múltiplo puede implicar solamente el número pequeño de interacciones tales que la aleatoriedad no está hecha un promedio totalmente hacia fuera. Estos sistemas se consideran ser algo del más difícil de modelar exactamente.

La descripción de la dispersión y la distinción entre la dispersión sola y múltiple a menudo están implicadas altamente con dualidad de la agitar-partícula.

Los problemas importantes de la investigación en la dispersión implican a menudo el predecir de cómo los varios sistemas dispersarán la radiación, que puede casi siempre ser suficientes energía que computa y conocimiento dados solucionados del sistema. Un desafío extensamente estudiado pero más difícil es problema inverso de la dispersión, en que la meta es observar la radiación y el uso dispersados que observación para determinar características del scatterer o de la radiación antes de dispersar. Lo contrario no es generalmente único; varios diversos tipos de dispersar centros pueden dar lugar generalmente al mismo patrón de la radiación dispersada, así que el problema no es soluble en el caso general. Afortunadamente, hay maneras de extraer algún útil, no obstante incompleto, información sobre el scatterer, y estas técnicas sea ampliamente utilizado para los usos de la detección y de la metrología (Colton y Kress 1998).

Algunas áreas donde están significativas la dispersión y la dispersión de teoría incluyen la detección del radar, ultrasonido médico, inspección de la oblea de semiconductor, polimerización embaldosado de supervisión, acústico de proceso, comunicaciones del libre-espacio, y imágenes originadas en ordenador.

Dispersión electromágnetica

Ondas electromágneticas (EM) es una de las formas más conocidas y lo más comúnmente posible encontradas de radiación que experimentan la dispersión. Dispersión de ondas ligeras y de radio (especialmente adentro radar) es particularmente importante. Varios diversos aspectos de la dispersión electromágnetica son bastante distintos tener nombres convencionales. Las formas importantes de dispersión ligera elástico (que implica transferencia de energía insignificante) son Dispersión de Rayleigh y Dispersión de Mie. El EM inelástico que dispersa efectos incluye Dispersión de Brillouin, Dispersión de Raman, inelástico Radiografía dispersión y Dispersión de Compton.

La dispersión ligera es uno de los dos procesos físicos principales que contribuyen al aspecto visible de la mayoría de los objetos, el otro ser absorción. Superficies descritas como blanco deba su aspecto casi totalmente a la dispersión de la luz por la superficie del objeto. La ausencia de la dispersión de la superficie conduce a un aspecto brillante o brillante. La dispersión ligera puede también dar color a algunos objetos, generalmente cortinas del azul (como con el cielo, el ser humano diafragma, y las plumas de algunos pájaros (Prum y otros. 1998), pero dispersión ligera resonante adentro nanoparticles puede producir diversas tonalidades altamente saturadas y vibrantes, especialmente cuando resonancia superficial del plasmon está implicado (Roqué y otros. 2006).

Dispersión de Rayleigh es un proceso en el cual la radiación electromágnetica (luz incluyendo) es dispersada por un volumen esférico pequeño del índice de refracción de la variante, tal como una partícula, burbuja, gotita, o aún una fluctuación de la densidad. Este efecto primero fue modelado con éxito cerca Señor Rayleigh, de que consigue su nombre. Para que el modelo de Rayleigh a aplicarse, la esfera deba ser mucho más pequeño en diámetro que longitud de onda (λ) de la onda dispersada; el límite superior se toma típicamente para ser cerca de 1/10 de la longitud de onda. En este régimen del tamaño, la forma exacta del centro de la dispersión no es generalmente muy significativa y se puede tratar a menudo como esfera del volumen equivalente. El inherente dispersando esa radiación experimenta pasar a través de un gas puro es debido a las fluctuaciones microscópicas de la densidad mientras que las moléculas del gas se mueven alrededor, que son normalmente bastante pequeñas en la escala para que el modelo de Rayleigh se aplique. Este mecanismo de la dispersión es la causa primaria del color azul del cielo de la tierra en un día claro, como las longitudes de onda azules más cortas de la luz del sol que pasan gastos indirectos se dispersa más fuertemente que las longitudes de onda rojas más largas según 1/λ famoso de Rayleigh ⁴ relación. Junto con la absorción, tal dispersión es una causa importante de la atenuación de la radiación por atmósfera. El grado de dispersión varía en función del cociente del diámetro de la partícula a la longitud de onda de la radiación, junto con muchos otros factores incluyendo polarización, ángulo, y coherencia.

Para diámetros más grandes, el problema de la dispersión electromágnetica por las esferas primero fue solucionado cerca Gustav Mie, y dispersando por las esferas más grandes que la gama de Rayleigh por lo tanto se conoce generalmente como Dispersión de Mie. En el régimen de Mie, la forma del centro de la dispersión llega a ser mucho más significativa y la teoría se aplica solamente bien a las esferas y, con una cierta modificación, esferoides y elipsoides. Las soluciones del Closed-form para dispersar por ciertas otras formas simples existen, pero no se sabe ninguna solución general del closed-form para las formas arbitrarias.

La dispersión de Mie y de Rayleigh se considera los procesos de la difusión elástica, en los cuales la energía (y así la longitud de onda y la frecuencia) de la luz no se cambia substancialmente. Sin embargo, la radiación electromágnetica dispersada moviendo centros de la dispersión experimenta a Cambio de Doppler, tales como que puede ser detectado y ser utilizado medir la velocidad de la dispersión center/s en formas de técnicas LIDAR y radar. Esta cambio implica un cambio leve en energía.

En los valores del cociente del diámetro de la partícula a la longitud de onda más que cerca de 10, los leyes de la óptica geométrica sea sobre todo suficiente describir la interacción de la luz con la partícula, y a este punto la interacción no se describe generalmente como dispersando.

Para modelar de la dispersión en caso de que los modelos de Rayleigh y de Mie no se apliquen por ejemplo partículas de forma irregular, hay muchos métodos numéricos que pueden ser utilizados. El mas comunes son métodos del finito-elemento cuáles solucionan Ecuaciones del maxwell para encontrar la distribución del campo electromagnético dispersado. Las paquetes de software sofisticadas existen que permiten que el usuario especifique el índice de refracción o los índices de la característica de la dispersión en espacio, creando 2 - o modelo a veces de 3 dimensiones de la estructura. Para las estructuras relativamente grandes y complejas, estos modelos requieren generalmente tiempos de ejecución substanciales en una computadora.

Otro tipo especial de dispersión del EM es coherente backscattering. Éste es un fenómeno relativamente obscuro que ocurre cuando radiación coherente (tal como a laser la viga) propaga con un medio que tenga una gran cantidad de centros de la dispersión, para dispersar las ondas muchas veces mientras que viajen con él. Una nube gruesa es un ejemplo típico de esta clase de múltiple-dispersar medio. El efecto produce un pico muy grande en la intensidad de la dispersión en la dirección del que viaja-eficaz la onda, de las dispersiones la parte posteriora ligera preferencial la manera que vino. Para la radiación incoherente, la dispersión típicamente alcanza un máximo local en la dirección de posterior, pero el pico backscatter coherente es dos veces más arriba que el nivel habría sido si la luz era incoherente. Es muy difícil detectar y medir por dos razones. El primer es bastante obvio, eso es difícil medir el backscatter directo sin el bloqueo de la viga, pero hay métodos para superar este problema. El segundo es que el pico es generalmente extremadamente agudo alrededor de la dirección de posterior, de modo que un muy de alto nivel de la resolución angular sea necesario para que el detector vea el pico sin hacer un promedio de su intensidad hacia fuera sobre los ángulos circundantes donde la intensidad puede experimentar inmersiones grandes. A los ángulos con excepción de la dirección backscatter, la intensidad de luz está conforme esencialmente a las fluctuaciones al azar numerosas llamadas puntos.

Éste es uno del más robusta interferencia los fenómenos que sobrevive la dispersión múltiple, y él se mira como aspecto de a quántum mecánico fenómeno conocido como localización débil (Akkermans y otros. 1986). En la localización débil, interferencia de las trayectorias directas y reversas conduce a una reducción neta del transporte ligero en la dirección delantera. Este fenómeno es típico de cualquier onda coherente que sea múltiplo dispersado. Se discute típicamente para las ondas ligeras, para las cuales es similar al fenómeno débil de la localización para los electrones en (semi) conductores desordenados y vistos a menudo como el precursor a la localización de Anderson (o fuerte) de la luz. La localización débil de la luz puede ser detectada puesto que se manifiesta como realce de la intensidad de luz en la dirección del backscattering. Este realce substancial se llama el cono del backscattering coherente.

El backscattering coherente tiene su origen en la interferencia entre las trayectorias directas y reversas en la dirección del backscattering. Cuando un multiplicar que dispersa medio es iluminado por un rayo laser, la intensidad dispersada resulta de la interferencia entre las amplitudes asociadas a las varias trayectorias de la dispersión; para un medio desordenado, se eliminan los términos de interferencia cuando están hechos un promedio sobre muchas configuraciones de la muestra, excepto adentro una gama angular estrecha alrededor del backscattering exacto donde se realza la intensidad media. Este fenómeno, es el resultado de muchos sinusoidales dos-agita los patrones de interferencia que agregan para arriba. El cono es el Fourier transforma de la distribución espacial de la intensidad de la luz dispersada en la superficie de la muestra, cuando el último es iluminado por a punto-como fuente. El backscattering realzado confía en la interferencia constructiva entre las trayectorias reversas. Uno puede hacer una analogía con un experimento de Young de interferencia, donde dos rajas de difracción serían colocadas en lugar de los scatterers de la “entrada” y de la “salida”.

Vea también

Dispersión de Brillouin
Dispersión de Compton
CREIL (Efecto coherente de Raman sobre luz incoherente)
Dispersión ligera dinámica
Dispersión del neutrón
Dispersión ligera por las partículas
Teoría de Mie
Dispersión de Raman
Dispersión de Rayleigh
Dispersión de Rutherford
Dispersión Small-angle
Efecto de Tyndall
Dispersión de Thomson
Efecto del lobo
Línea de Kikuchi

Acoplamientos externos

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Referencias

Akkermans, E.; P. E. Lobo, R. Maynard (1986). “Backscattering coherente de la luz por medios desordenados: Análisis de la línea máxima forma ". Phys. Inversor de corriente. Lett. 56 (14): 1471-1474.
Bohren, Craig F.; Donald R. Huffman (1983). Absorción y dispersión de la luz por las partículas pequeñas. Wiley. ISBN 0-471-29340-7.
Colton, David; Rainer Kress (1998). Teoría acústica y electromágnetica inversa de la dispersión. Springer. ISBN 3-540-62838-X.
Gonis, Antonios; Guillermo H. Butler (1999). Dispersión múltiple en sólidos. Springer. ISBN 0-387-98853-X.
Prum, Richard O.; Rodolfo H. Torres, Scott Williamson, enero Dyck (1998). “Dispersión ligera coherente por las lengüetas azules de la pluma”. Naturaleza 396 (6706): 28-29.
Roqué, Josep; J. Molera, P. Sciau, E. Pantos, M. Vendrell-Saz (2006). “Los nanocrystals de cobre y de plata en plomo del lustre esmaltan: desarrollo y características ópticas ". J. Eur. Sociedad de cerámica 26 (16): 3813-3824.
Stover, Juan C. (1995). Dispersión óptica: Medida y análisis. Presión óptica de la ingeniería de SPIE. ISBN 0-8194-1934-6.

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