Рассеяние — это термин, используемый в физике для описания широкого круга физических процессов, при которых движущиеся частицы или излучение какой-либо формы, например свет или звук , вынуждены отклоняться от прямой траектории из-за локализованных неоднородностей (включая частицы и излучение) в пространстве. среда, через которую они проходят. При обычном использовании это также включает отклонение отраженного излучения от угла, предсказываемого законом отражения . Отражения излучения, подвергающиеся рассеянию, часто называют диффузными отражениями , а нерассеянные отражения — зеркальными .(зеркальные) отражения. Первоначально этот термин ограничивался рассеянием света (возникая, по крайней мере, до Исаака Ньютона в 17 веке [1] ). По мере открытия новых «лучеподобных» явлений идея рассеяния была распространена и на них, так что Уильям Гершель мог сослаться на рассеяние «тепловых лучей» (тогда еще не признанных электромагнитными по своей природе) в 1800 году. [2] Джон Тиндалл , пионер в исследованиях светорассеяния, отметил связь между светорассеянием и акустическим рассеянием в 1870-х годах. [3] Ближе к концу 19 века рассеяние катодных лучей (электронных пучков) [4] и рентгеновских лучей [5]наблюдалось и обсуждалось. С открытием субатомных частиц (например, Эрнестом Резерфордом в 1911 г. [6] ) и развитием квантовой теории в 20-м веке смысл этого термина стал шире, поскольку было признано, что могут применяться те же математические основы, которые используются в рассеянии света. ко многим другим явлениям.
Таким образом, рассеяние относится к столкновениям частиц между молекулами, атомами, электронами , фотонами и другими частицами. Примеры включают: рассеяние космических лучей в верхних слоях атмосферы Земли; столкновения частиц внутри ускорителей частиц ; рассеяние электронов атомами газа в люминесцентных лампах; и рассеяние нейтронов внутри ядерных реакторов . [7]
Типы неоднородностей, которые могут вызвать рассеяние, иногда называемые рассеивателями или центрами рассеяния , слишком многочисленны, чтобы их перечислять, но небольшая выборка включает частицы , пузырьки , капли , флуктуации плотности в жидкостях , кристаллиты в поликристаллических твердых телах, дефекты в монокристаллических твердых телах . , шероховатость поверхности , клетки в организмах и текстильные волокна в одежде. Эффекты таких особенностей на пути почти любого типа распространяющейся волны или движущейся частицы могут быть описаны в рамкахтеория рассеяния .
Некоторые области, в которых важны рассеяние и теория рассеяния, включают радиолокационное зондирование, медицинское ультразвуковое исследование , контроль полупроводниковых пластин , мониторинг процесса полимеризации , акустическую мозаику, связь в свободном пространстве и компьютерные изображения . [8] Теория рассеяния частиц важна в таких областях, как физика элементарных частиц , атомная, молекулярная и оптическая физика , ядерная физика и астрофизика . В физике элементарных частиц квантовое взаимодействие и рассеяние фундаментальных частиц описывается матрицей рассеяния или S-матрицей ., представленный и разработанный Джоном Арчибальдом Уилером и Вернером Гейзенбергом . [9]
Рассеяние количественно определяется с использованием множества различных концепций, включая поперечное сечение рассеяния (σ), коэффициенты затухания , функцию распределения двунаправленного рассеяния (BSDF), S-матрицы и длину свободного пробега .
Когда излучение рассеивается только одним локализованным центром рассеяния, это называется однократным рассеянием . Очень часто центры рассеяния группируются вместе; в таких случаях излучение может многократно рассеиваться, что известно как многократное рассеяние . [11] Основное различие между эффектами однократного и многократного рассеяния заключается в том, что однократное рассеяние обычно можно рассматривать как случайное явление, тогда как многократное рассеяние, несколько парадоксально, можно моделировать как более детерминированный процесс, поскольку объединенные результаты большого числа событий рассеяния имеют тенденцию к усреднению. Таким образом, многократное рассеяние часто можно хорошо смоделировать с помощью теории диффузии . [12]