Mi sklaida

Straipsnis iš Vikipedijos, laisvosios enciklopedijos.
Peršokti į: navigacija, paiešką
Smogas Šanchajuje – vienas iš Mi sklaidos pavyzdžių.

Mi sklaida, taip pat žinoma kaip Lorenco Mi teorija arba Lorenco Mi Debajaus teorija, yra šviesos sklaida, tiksliai aprašoma analitiniu Maksvelo lygčių sprendiniu. Tai tiksliausia sklaidos teorija, tinkanti elektromagnetinės spinduliuotės sklaidai sferinėmis dalelėmis aprašyti. Mi sprendiniai pirmą kartą buvo aprašyti vokiečių fiziko Gustavo Mi (Gustav Mie). Tačiau danų fizikas Liudvigas Lorencas (Ludvig Lorenz) ir kiti mokslininkai yra nepriklausomai išvystę elektromagnetinės plokščios bangos sklaidos dielektriniu rutuliu teoriją.

Šiuo metu, terminas „Mi sklaida“ yra fizikoje vartojamas platesniame kontekste, pavyzdžiui, aprašant Maksvelo lygties sprendinius sklaidai nuo sferų rinkinių, cilindrų arba kitų objektų, kurių forma gali būti aprašyta paprastomis geometrinėmis formulėmis, o uždavinio sprendimo metu gali būti pasinaudota kintamųjų atskyrimo metodu.

Priešingai negu Relėjaus sklaida, Mi sklaidos sprendiniai yra tikslūs visiems įmanomiems santykiams tarp sferos diametro ir krentančios spinduliuotės bangos ilgio, nors skaitmeniniu požiūriu tai yra begalinės sumos sumavimo uždavinys. Savo originalioje formuluotėje teorija buvo vystoma sferai iš homogeninės, izotropinės ir tiesinės medžiagos, kuri yra apšviečiama begaline plokščia banga. Tačiau sprendinio paieškos metodika yra sėkmingai taikoma ir optiniams pluoštams bei sluoksniuotoms sferoms.

Mi sklaidos teorija yra ypač svarbi meteorologinėje optikoje, kur vandens lašų matmenų santykiai su bangos ilgiais yra vienetų eilės ir didesni, o nagrinėjamos įvairios problemos susijusios su debesų, rūko ir kitų dalelių sąveika su šviesa. Naujausias praktinis taikymas yra susijęs su aerozolio dalelių (smogas) charakterizavimu optiniais metodais. Mi teorija taip pat sėkmingai taikoma naftos produktų detekcijai užterštuose vandenyse.

Šviesos sklaidos sferinės metalinės dalelės paviršiuje pavyzdis. Mažoms dalelėms vyksta Relėjaus sklaida, kuomet daugiausia šviesos išsklaidoma į priekį ir atgal. Dalelės matmenims didėjant, matome atsirandantį Mie sklaidos metu kryptingumą.

Teorinis pagrindimas[redaguoti | redaguoti vikitekstą]

Mi sklaidos teorijoje, į dalelę krentantis elektromagnetinis laukas (indeksas i), elektromagnetinis laukas susidaręs dalelėje (indeksas p) bei išsklaidytas elektomagnetinis laukas (indeksas s) yra išreiškiami per vektorines sferines harmonikas ir , kurių tiksli išraiška yra

kur , ir yra sferinės koordinačių sistemos vienetiniai vektoriai, skaičius (1) atitinka sferinę Beselio funkcija , o skaičius skliaustuose 3 pažymi pirmos eilės sferinę Hankelio funkciją . Apibendrintas sferinės Beselio funkcijos žymėjimas lygtyse yra pakeičiamas atitinkamai į arba . Kuomet sveikas skaičius , šios vektorinės sferinės harmonikos aprašo magnetinį ir elektrinį dipolius, atitinkamai. Sveikas skaičius m aprašo dipolių orientaciją erdvėje. Funkciją yra apibendrintas Ležandro polinomas.

Krentanti iš terpės su lūžio rodiklio šviesa yra išreiškiama lygtimi

čia Ryra atstumo vektorius nuo sferinės koordinačių sistemos centro iki nagrinėjamo taško, R – šio vektoriaus ilgis, ir yra atitinkamai meridianinis ir azimutinis kampai. Sveiki skaičiai m ir n nusako sferinės vektorinės harmonikos eilę. Koeficientai ir aprašo krentančios šviesos lauką ir yra dalelę apšviečiančio optinio pluošto elektrinio lauko skleidinio vektorinėmis sferinėmis harmonikomis koeficientai. Spindulio dalelėje, kurios lūžio rodiklis yra , indukuotą šviesą aprašo formulė

,

o išsklaidytą šviesą lygtis

Paskutinėse dvejuos lygtyse atsiradę koeficientai , , ir Mie sklaidos teorijoje nusako sferinės dalelės atsaką į ją žadinantį lauką. Sferinė harmonika aprašo magnetinius multipolius, o sferinė harmonika  – elektrinius. Tokiu būdu, ir nusako, kaip sferinė dalelė reaguoja į magnetinius multipolius, o koeficientai ir  – į elektrinius. Koeficientų , , ir vertės yra randamos pritaikius elektrinio ir magnetinio laukų tolydumo sąlygas ties dalelės paviršiumi

Šiuose lygtyse įvesti sekantys žymėjimai ir , funkcijos ir yra sferinės Beselio funkcijos, o apostrofas reiškia išvestinę pagal kintamąjį skliaustuose.

Dalelės išsklaidytos šviesos kiekis yra randamas suintegravus Pointingo vektoriaus radialinę dalį sferos paviršiumi, kurios viduje yra patalpinta dalelę. Po šios operacijos yra gaunama begalinė suma dalelės išsklaidytai energijai ir prarastai

Kaip matome, sprendiniai yra aprašomi begalinėmis sumomis, sudarytomis iš narių, atitinkančių skirtingų eilių magnetinius ir elektrinius multipolius, dėl šios priežasties Mi sklaidos metodai yra neparankūs stambių dalelių nagrinėjimui, tačiau dažnai taikomi vidutinio dydžio dalelių sklaidai aprašyti.

Taip pat skaitykite[redaguoti | redaguoti vikitekstą]