Bølgediffusion

Den diffusion er det fænomen, hvorved en stråling , såsom lys, lyd eller en stråle partikler , afbøjes i forskellige retninger ved interaktion med andre objekter. Diffusion kan være isotrop , dvs. fordeles ensartet i alle retninger eller anisotrop . Især kaldes den brøkdel af hændelsesbølgen, der returneres i den retning, den stammer fra, backscatter ( backscatter engelsk). Diffusion kan finde sted med eller uden frekvensvariation. Vi taler om uelastisk diffusion i det første tilfælde, elastisk i det andet. Den polarisering af den indfaldende stråling kan ændres ved spredning.

Historisk set er udviklingen af ​​forståelsen af ​​fænomener og deres modellering mange fysikers arbejde.

Definitioner, egenskaber

Spredningen af ​​en bølge på et spredningscenter er defineret af det effektive afsnit, der giver variationen i frekvens og retning af den indfaldende stråling. Σ=σ(v→v′)P(Ω→Ω′){\ displaystyle \ Sigma = \ sigma (\ nu \ rightarrow \ nu ') P (\ mathbf {\ Omega} \ rightarrow \ mathbf {\ Omega}')}v′-v{\ displaystyle \ nu '- \ nu}Ω′-Ω{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega} '- \ mathbf {\ Omega}}

P er den fasefunktion, der i de fleste tilfælde respekterer cylindrisk symmetri: afvigelsen er uafhængig af ankomstretningen . Den repræsenterer vinkelfordelingen for for given og normaliseres derfor a=arccos(Ω′⋅Ω){\ displaystyle \ alpha = \ arccos \, (\ mathbf {\ Omega} '\ cdot \ mathbf {\ Omega})}Ω{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega}}Ω′{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega} '}Ω{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega}}

∫ΩPdΩ=1{\ displaystyle \ int _ {\ Omega} P \ mathrm {d} \ Omega = 1}

Stråling er karakteriseret ved luminansen, der giver energimængden for et givet frekvensinterval i en given fast vinkel omkring retningen , muligvis for et givet polarisationsinterval. Luminans adlyder den strålingsoverføringsligning, som er en lineær integro-differentialligning. Vi kan derfor simpelthen homogenisere mediet som følger: Ω{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega}}

• Flere typer diffusionscentre placeret tilfældigt.

I betragtning af antallet af type i diffusorer pr. Volumenhed, der hver er knyttet til den effektive sektion , er den gennemsnitlige effektive sektion af mediet ikkejeg{\ displaystyle n_ {i}}Σjeg{\ displaystyle \ Sigma _ {i}}Σm{\ displaystyle \ Sigma _ {m}}Σm=∑jegikkejegΣjeg{\ displaystyle \ Sigma _ {m} = \ sum _ {i} n_ {i} \ Sigma _ {i}}

• Tilfældig fordeling af positionen, formen og størrelsen af ​​de diffuserende centre.

Tværsnittet er derefter produktet af sammenfald Σm=∫0∞∫ΩΣf(ikke)dΩdv{\ displaystyle \ Sigma _ {m} = \ int _ {0} ^ {\ infty} \ int _ {\ Omega} \ Sigma \, f (n) \, \ mathrm {d} \ Omega \, \ mathrm { d} \ nu} hvor f er sandsynlighedstætheden for at have en partikel af art n med en given orientering. Denne situation opstår i tilfælde af ikke-sfæriske partikler med tilfældig orientering, for hvilken den individuelle fasefunktion er vilkårlig ( Tyndall-effekt ). Den samlede fasefunktion respekterer imidlertid cylindrisk symmetri. Derudover forårsager dette fænomen lysets depolarisering.

Disse forhold antager fraværet af flere interaktioner til stede, når størrelsen på det diffuserende centrum er af samme størrelsesorden som afstanden mellem to af dem. Ellers taler vi om afhængig diffusion.

Forskellige typer diffusion afhængigt af det involverede par af partikler

De fleste af de nedenfor nævnte fænomener svarer til uafhængig diffusion, hvor energioverførslen er svag og ofte kompenseres af andre mekanismer.

Elektromagnetiske bølger - elementære partikler

• Den comptonspredning er den uelastiske spredning af elektromagnetiske bølger (højenergi: y-stråler , røntgenstråler ) ved frie elektroner eller svagt bundet i et atom.
• Den Thomson diffusion er elastisk spredning af elektromagnetiske bølger fra de frie elektroner med lav energi (fx i photosphere af en stjerne).
• Den omvendte Compton-spredning (diffusion af energiske elektroner med lavenergifotoner af den gas, der opstår i Sunyaev-Zeldovich-effekten ) er et tilfælde af multicast og koblet, hvor den spektrale fordeling af fotoner ændres drastisk af interaktionen. Individuel interaktion er den samme som Compton-spredning.

Elektromagnetiske bølger - stof

Sagen, der oftest er stødt på og den mest undersøgte, er diffusion af elektromagnetiske bølger . Spredning af lys eller radiobølger (drift af radaren ) er almindelige eksempler på dette princip.

• Den Mie-spredning er elastisk spredning af elektromagnetiske bølger. Det finder sted, når diffusorerne har en størrelse, der kan sammenlignes med den indfaldende bølgelængde og inkluderer diffraktionslobber. Rayleigh-spredning er en grænseoverskridende sag. Den Mie-teorien beskriver fænomenet for sfæriske partikler. For partikler af enhver form taler vi undertiden om Tyndall-spredning .
• Den Rayleigh-spredning er elastisk spredning for elektromagnetiske bølger, hvis bølgelængde er meget større end størrelsen af spredningen elementer (mere end 10 gange højere). Denne diffusion er oprindelsen til den blå himmelfarve. Når vi retter blikket mod eller nær solen, opfatter vi de mest direkte stråling. De er lidt diffuse af atmosfæren og har en lang bølgelængde (farve tendens til rødt). Når vi retter blikket andetsteds på himlen, opfatter vi stråling, hvis bane fra solen er meget indirekte. Disse strålinger skyldes Rayleigh-spredning, som er mere udtalt for korte bølgelængder (farve tendens mod violet).
• Den Raman-spredning er den uelastiske spredning af elektromagnetiske bølger på atomer, molekyler, eller faste stoffer. Forskellen i energi mellem en absorberet foton og en genemitteret foton er lig med forskellen i energi mellem to rotations- eller vibrationstilstande for spredningsobjektet. Den Raman-spektroskopi er en teknik til karakterisering af materialer, der inkorporerer dette princip.
• Den Brillouin spredning er den uelastiske spredning af elektromagnetiske bølger på en fast angår den særlig interaktion med fononer akustisk.

Fænomenet diffusion kan også forekomme, når en radiobølge (radio, TV osv.) Støder på en forhindring, hvis overflade ikke er helt flad og glat. Dette er tilfældet med ioniserede lag, overfladen af ​​jorden i kuperede områder (for de længste bølgelængder) eller overfladen af ​​forhindringer (klipper, skove, bygninger osv.) For ultrabølger. - kort (over et par hundrede megahertz) . Som i optik afhænger spredningen af ​​forholdet mellem bølgelængden og dimensionerne af forhindringerne eller uregelmæssighederne på overfladen af ​​de reflekterende forhindringer. Disse kan være så varierede som regngardiner (i mikrobølgeovn ) eller ioniserede zoner under polære auroraer .

Elementære partikler - stof

Det er interaktionen mellem ladede partikler og atomens kerne ( Rutherford , Mott diffusioner ).

Diffusionsregimer i henhold til bølgelængden og størrelsen af ​​det diffuserende center

Der er generelt tre spredningsregimer afhængigt af den karakteristiske størrelse af spredningselementerne med hensyn til den betragtede bølgelængde:

• det spekulære regime: diffusorerne er store sammenlignet med strålingens bølgelængde. Fysikken tilpasset denne skala er geometrisk optik . Ordet specular betegner retningen, i hvilken lyset reflekteres i henhold til Descartes love  ;
• resonansregimet: i dette mellemliggende tilfælde er diffusorernes størrelse i størrelsesordenen af bølgelængden . Dette er f.eks. Tilfældet med diffraktionsgitre ;
• Thomson- eller Rayleigh-spredningsregimet: spredningscentre er små sammenlignet med bølgelængden.

Ansøgninger

At forstå diffusionsfænomener er meget vigtigt især for den medicinske sektor: de fleste medicinske billedteknikker bruger diffusion. Vi kan også overveje militære anvendelser (påvisning af kampvogne i en fugtig jungle  osv. ). Endelig bruger adskillige spektroskopi (eller "spektrometri") teknikker spredningsprincipperne.

Backscattering

Det mest almindelige område for spredning er dens backscatter-komponent. Den lidar , den radar og sonar alle udnytte egenskaben af målet til at returnere en del af den indfaldende energi til senderen signal eller en sekundær modtager. Generelt vil vi bruge Rayleigh-spredningens rækkevidde for at opnå en proportionalitet mellem hændelsessignalet og returen.

Backscattering bruges også i bølgeledere og optiske fibre til at opdage fabrikationsfejl. Faktisk dæmper Rayleigh-spredning gradvis signalet i retning af udbredelse, og ufuldkommenheder vil returnere en stor del af det til kilden. Ved at måle retur, kan vi beregne tabene i guiden eller fiberen uden at skulle skære den for at introducere en enhed, der direkte måler tabene forskellen i signal fra senderen.

Diffusion af en overflade

Diffusionen efter overflade, brugt til begreberne reflektionsevne enkel, tovejs reflektion , emissivitet er et specielt tilfælde af tilbagespredning. Den består i at give, for en hypotetisk glat overflade af et homogent materiale, de ækvivalente egenskaber, der er resultatet af volumenprocesserne beskrevet ovenfor.

Sårskorpe

De Prikkerne udgør et særtilfælde af diffusion stammende fra interaktionen af en kohærent stråle med en inhomogen medium.

Bemærkninger

1. Diffusion overholder ikke en diffusionsligning som varmeligningen .
2. Høj eller lav energi refererer til den reducerede mængde, hvor er elektronens masse og c lysets hastighed. Lav energi svarer tilϵv=hvmevs.2{\ displaystyle \ epsilon _ {\ nu} = {\ frac {h \ nu} {m_ {e} c ^ {2}}}}me{\ displaystyle m_ {e}}ϵv<<1{\ displaystyle \ epsilon _ {\ nu} << 1}

Referencer

1. (i) Milton Kerker, spredningen af lys og andre Electromagnatic Stråling , Academic Press, 1969
2. (i) Michael M. Modest, strålevarmeoverførslen , Academic Press, 2003 ( ISBN  0-12-503163-7 )
3. Jean-Jacques Greffet, Diffusion of stråling , Course of the Superior School of Optics, 2003