Биофизическая химия. Том 2 - Кантон Ч.
Скачать (прямая ссылка):
14.6. Рассеяние света
Мы рассмотрим здесь более или менее детально лишь классическое упругое
рассеяние света. Метод светорассеяния является близкой аналогией
рентгеновского и нейтронного рассеяния в растворе. Образец освещают
коллимированным пучком света с длиной волны X, и измеряют интенсивность
рассеянного излучения с той же длиной волны как функцию 20 - угла между
падающим пучком и направлением, в котором помещен детектор.
ОДИНОЧНЫЕ МОЛЕКУЛЫ,
РАЗМЕР КОТОРЫХ МНОГО МЕНЬШЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ
Классическое рассеяние света носит название рэлеевского рассеяния. В
пределе, при бесконечном разбавлении и малом угле рассеяния, оно будет
описываться уравнением того же вида, что и уравнение (14.34). В принципе
рассеяние света и рентгеновское рассеяние суть одно и то же явление.
Однако удобно заменить одноэлектронный рассеивающий фактор в уравнении
(14.34) величиной, непосредственно измеряемой на опыте. Кроме того,
необходимо в полной мере учитывать эффект контраста между растворенным
веществом и растворителем, как это было сделано для нейтронного
рассеяния.
Свет, падающий на молекулу, размеры которой много меньше длины волны,
вызывает появление осциллирующего электрического диполя ft = аЕ, где Е -
вектор напряженности электрического поля световой волны, а а -
поляризуемость (см. гл.7). Этот осциллн-р/ющий диполь и является
источником рассеянного излучения. Можно показать, что ин-
446 ГЛАВА 14
тенсивность I рассеянного излучения (энергия, проходящая через щель
площадью 1 см2 в единицу времени) есть
/ = /0(8л4а2/А4г2)(1 + cos220) (14.69)
где 20 - угол между падающим и рассеянным лучами, X - длина волны, г -
расстояние между образцом и детектором, /0 - интенсивность падающего
света.
Интересующийся читатель с хорошей подготовкой в области электричества и
магнетизма может найти подробный вывод уравнения (14.69) в других
источниках (см. Berne, Ресога, 1976). Здесь мы только попытаемся
качественно объяснить присутствие некоторых входящих в него величин.
Поскольку детектор находится достаточно далеко от образца, телесный угол,
под которым образец виден сквозь щель фиксированного размера, уменьшается
как квадрат расстояния. Этим объясняется появление величины 1 /г2.
Амплитуда световой волны, излучаемой диполем, линейно зависит от
ускорения, которое имеют образующие этот диполь заряды. Из соображений
размерности разумно предположить, что оно будет меняться как квадрат
частоты излучения. Следовательно, интенсивность рассеянного излучения
(квадрат амплитуды) будет зависеть от И, или от X-4. Подобно этому
амплитуда линейно зависит от величины индуцированного дипольного момента
ц, так что интенсивность будет зависеть от ц2 или от а2.
Зависимость измеренной интенсивности от X-4 является указанием на то, что
наблюдается именно рэлеевское рассеяние, а не поглощение, рамановское
рассеяние или другие эффекты. Однако, когда в образце содержатся
молекулы, размер которых превышает X, эта зависимость перестает в
точности выполняться. Например, в случае очень длинных стержней
зависимость рассеяния от длины волны лучше описывается функцией/(X-3).
Заметим, между прочим, что зависимость рэлеевского рассеяния от X-4
объясняет, почему небо голубое, а закаты оранжевые
ВЛИЯНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ НА УГЛОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАССЕЯННОГО СВЕТА
Слагаемое 1 + cos220 в уравнении (14.69) возникает из-за ограничений,
которые определяются соотношениями между направлением распространения
света н направлением его поляризации. Рассмотрим неполяризованный свет,
падающий вдоль оси z (рис. 14.19). В соответствии с описанием, данным в
гл. 8, такой свет можно представить в виде суперпозиции компонентов,
поляризованных вдоль х и у.
Падающий свет, поляризованный вдоль оси х, будет индуцировать диполь,
который осциллирует в направлении х. Рассеянный свет может
распространяться вдоль оси z или у. Однако рассеянный свет с х-
поляризацией не может распространяться вдоль оси х. Свет - это поперечная
волна, и поле в такой волне не может быть ориентировано вдоль направления
ее распространения. Основываясь на этих соображениях, можно заключить,
что возбуждающий свет су-поляризацией будет индуцировать рассеянное
излучение с такой же поляризацией, распространяющееся вдоль осей х hz. ио
вдоль оси у рассеяния не будет.
Эти поляризационные эффекты означают, что интенсивность рассеяния,
наблюдаемого вдольх ну, будет составлять половину интенсивности
рассеяния, наблюдаемого вдоль z.
Это и учитывается членом 1 + cos220. Если свет падает вдоль z, то для
рассеяния в этом направлении 20 = 0 и cos220 = 1. Для рассеяния вдоль
осей х или у угол 20 составляет 90°, и cos220 = 0. Между прочим, в
точности то же самое происходит н при рассеянии рентгеновских лучей, так
что перед тем, как пользоваться уравнениями, полученными в гл. 13 н
14, необходимо скорректировать наблюдаемые интенсивности с учетом этого
эффекта.
ДРУГИЕ МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ РАССЕЯНИЕ И ДИФРАКЦИЮ
447
РИС. 14.19. Рассеяние света от частицы (показанной схематически в центре
