Diffusione delle onde

La diffusione è il fenomeno per cui una radiazione come la luce, il suono o un fascio di particelle , viene deviata in varie direzioni dall'interazione con altri oggetti. La diffusione può essere isotropa , cioè distribuita uniformemente in tutte le direzioni, o anisotropa . In particolare, la frazione dell'onda incidente che viene restituita nella direzione da cui ha origine è chiamata backscatter ( backscatter inglese). La diffusione può avvenire con o senza variazione di frequenza. Si parla di diffusione anelastica nel primo caso, elastica nel secondo. La polarizzazione della radiazione incidente può essere modificata mediante diffusione.

Storicamente, lo sviluppo della comprensione dei fenomeni e la loro modellizzazione è opera di molti fisici.

Definizioni, proprietà

La diffusione di un'onda su un centro di diffusione è definita dalla sezione effettiva che dà la variazione di frequenza e direzione della radiazione incidente. Σ=σ(ν→ν′)P(Ω→Ω′){\ displaystyle \ Sigma = \ sigma (\ nu \ rightarrow \ nu ') P (\ mathbf {\ Omega} \ rightarrow \ mathbf {\ Omega}')}ν′-ν{\ displaystyle \ nu '- \ nu}Ω′-Ω{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega} '- \ mathbf {\ Omega}}

P è la funzione di fase che nella maggior parte dei casi rispetta la simmetria cilindrica: la deviazione è indipendente dalla direzione di arrivo . Rappresenta la distribuzione angolare di per dato ed è quindi normalizzata α=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}

La radiazione è caratterizzata dalla luminanza che fornisce la quantità di energia per un dato intervallo di frequenza, in un dato angolo solido attorno alla direzione , possibilmente per un dato intervallo di polarizzazione. La luminanza obbedisce all'equazione del trasferimento radiativo che è un'equazione integro-differenziale lineare. Possiamo quindi semplicemente omogeneizzare il mezzo come segue: Ω{\ displaystyle \ mathbf {\ Omega}}

• Diversi tipi di centri di diffusione posizionati in modo casuale.

Dato il numero di diffusori di tipo i per unità di volume, ciascuno associato alla sezione effettiva , la sezione media effettiva del mezzo è nonio{\ displaystyle n_ {i}}Σio{\ displaystyle \ Sigma _ {i}}Σm{\ displaystyle \ Sigma _ {m}}Σm=∑iononioΣio{\ displaystyle \ Sigma _ {m} = \ sum _ {i} n_ {i} \ Sigma _ {i}}

• Distribuzione casuale della posizione, forma e dimensione dei centri diffondenti.

La sezione trasversale è quindi il prodotto della convoluzione Σm=∫0∞∫ΩΣf(non)dΩdν{\ displaystyle \ Sigma _ {m} = \ int _ {0} ^ {\ infty} \ int _ {\ Omega} \ Sigma \, f (n) \, \ mathrm {d} \ Omega \, \ mathrm { d} \ nu} dove f è la densità di probabilità di avere una particella di specie n con un dato orientamento. Questa situazione si verifica nel caso di particelle non sferiche di orientamento casuale per le quali la funzione di fase individuale è arbitraria ( effetto Tyndall ). Tuttavia, la funzione di fase totale rispetta la simmetria cilindrica. Inoltre, questo fenomeno provoca la depolarizzazione della luce.

Queste relazioni presuppongono l'assenza di interazioni multiple presenti quando la dimensione del centro diffondente è dello stesso ordine di grandezza della distanza tra due di essi. Altrimenti parliamo di diffusione dipendente.

Diversi tipi di diffusione a seconda della coppia di particelle coinvolte

La maggior parte dei fenomeni citati di seguito corrispondono a diffusione indipendente in cui il trasferimento di energia è debole e spesso compensato da altri meccanismi.

Onde elettromagnetiche - particelle elementari

• La dispersione Compton è la diffusione anelastica di onde elettromagnetiche (alta energia: y-raggi , raggi X ) di elettroni liberi, o debolmente legate in un atomo.
• La diffusione di Thomson è la diffusione elastica delle onde elettromagnetiche da parte degli elettroni liberi di bassa energia (ad esempio nella fotosfera di una stella).
• Lo scattering Compton inverso (diffusione di elettroni energetici con fotoni a bassa energia del gas incontrato nell'effetto Sunyaev-Zeldovich ) è un caso di multicast e accoppiato dove la distribuzione spettrale dei fotoni è drasticamente modificata dall'interazione. L'interazione individuale è la stessa dello scattering Compton.

Onde elettromagnetiche - materia

Il caso più spesso riscontrato e il più studiato è quello della diffusione delle onde elettromagnetiche . La diffusione della luce o delle onde radio (funzionamento del radar ) sono esempi comuni di questo principio.

• Lo scattering Mie è uno scattering elastico di onde elettromagnetiche. Si verifica quando i diffusori hanno una dimensione paragonabile alla lunghezza d'onda incidente e includono lobi di diffrazione. Lo scattering di Rayleigh è un caso limite. La teoria di Mie descrive il fenomeno per le particelle sferiche. Per particelle di qualsiasi forma a volte si parla di scattering di Tyndall .
• Lo scattering di Rayleigh è uno scattering elastico alle onde elettromagnetiche la cui lunghezza d'onda è molto maggiore della dimensione degli elementi di scattering (più di 10 volte superiore). Questa diffusione è all'origine del colore blu del cielo. Quando dirigiamo lo sguardo verso o vicino al sole, percepiamo le radiazioni più dirette. Poco diffusi dall'atmosfera, hanno una lunga lunghezza d'onda (colore tendente al rosso). Quando dirigiamo il nostro sguardo altrove nel cielo, percepiamo radiazioni la cui traiettoria dal sole è molto indiretta. Queste radiazioni derivano dalla diffusione di Rayleigh che è più pronunciata per lunghezze d'onda corte (colore tendente al violetto).
• La diffusione Raman è la diffusione anelastica di onde elettromagnetiche su atomi, molecole o solidi. La differenza di energia tra un fotone assorbito e un fotone riemesso è uguale alla differenza di energia tra due stati di rotazione o vibrazione dell'oggetto di diffusione. La spettroscopia Raman è una tecnica per la caratterizzazione di materiali che incorporano questo principio.
• Lo scattering Brillouin è lo scattering anelastico di onde elettromagnetiche su un solido, si riferisce a particolari interazioni con fononi acustici.

Il fenomeno di diffusione può verificarsi anche quando un'onda radio (radio, TV, ecc.) Incontra un ostacolo la cui superficie non è perfettamente piana e liscia. È il caso degli strati ionizzati, la superficie del terreno nelle regioni collinari (per le lunghezze d'onda più lunghe) o la superficie degli ostacoli (scogliere, foreste, edifici, ecc.) Per le onde ultra. - breve (sopra qualche centinaio di megahertz) . Come in ottica, lo scattering dipende dal rapporto tra la lunghezza d'onda e le dimensioni degli ostacoli o delle irregolarità sulla superficie degli ostacoli riflettenti. Questi possono essere vari come le tende antipioggia ( microonde ) o le zone ionizzate durante le aurore polari .

Particelle elementari - materia

È l'interazione di particelle cariche con il nucleo dell'atomo ( Rutherford , diffusioni di Mott ).

Regimi di diffusione in base alla lunghezza d'onda e alla dimensione del centro diffondente

Esistono generalmente tre regimi di scattering, a seconda della dimensione caratteristica degli elementi di scattering rispetto alla lunghezza d'onda considerata:

• il regime speculare: i diffusori sono grandi rispetto alla lunghezza d'onda della radiazione. La fisica adattata a questa scala è l'ottica geometrica . La parola speculare designa la direzione in cui la luce viene riflessa secondo le leggi di Cartesio  ;
• il regime di risonanza: in questo caso intermedio la dimensione dei diffusori è dell'ordine di grandezza della lunghezza d'onda . Questo è il caso, ad esempio, dei reticoli di diffrazione ;
• il regime di diffusione di Thomson o Rayleigh: i centri di diffusione sono piccoli rispetto alla lunghezza d'onda.

Applicazioni

Comprendere i fenomeni di diffusione è molto importante in particolare per il settore medico: la maggior parte delle tecniche di imaging medico utilizza la diffusione. Possiamo anche considerare applicazioni militari (rilevamento di carri armati in una giungla umida,  ecc .). Infine, diverse tecniche di spettroscopia (o "spettrometria") utilizzano i principi dello scattering.

Backscatter

L'area più comune di utilizzo dello scattering è la sua componente di retrodiffusione. Il lidar , il radar e il sonar utilizzano tutti la proprietà del bersaglio per restituire una parte dell'energia incidente al segnale del trasmettitore o a un ricevitore secondario. In generale, utilizzeremo il range dello scattering di Rayleigh per ottenere una proporzionalità tra il segnale incidente e il ritorno.

La retrodiffusione viene utilizzata anche nelle guide d'onda e nelle fibre ottiche per rilevare i difetti di fabbricazione. Infatti, lo scattering di Rayleigh attenua gradualmente il segnale nella direzione di propagazione e le imperfezioni ne restituiscono gran parte alla sorgente. Misurando il ritorno, possiamo calcolare le perdite nella guida o nella fibra senza doverla tagliare per introdurre un dispositivo che misura le perdite direttamente la differenza di segnale dal trasmettitore.

Diffusione da una superficie

La diffusione per superficie, abituata ai concetti di riflettività semplice, riflettanza bidirezionale , l' emissività è un caso speciale di retrodiffusione. Consiste nel dare, per un'ipotetica superficie liscia di un materiale omogeneo, le proprietà equivalenti risultanti dai processi volumetrici sopra descritti.

Crosta

Le macchioline costituiscono un caso particolare di diffusione derivante dall'interazione di un fascio coerente con un mezzo disomogeneo.

Appunti

1. diffusione non obbedisce a un'equazione di diffusione come l'equazione del calore .
2. alta o bassa energia si riferisce alla quantità ridotta dove è la massa dell'elettrone ec la velocità della luce. Bassa energia corrisponde aϵν=hνmevs2{\ displaystyle \ epsilon _ {\ nu} = {\ frac {h \ nu} {m_ {e} c ^ {2}}}}me{\ displaystyle m_ {e}}ϵν<<1{\ displaystyle \ epsilon _ {\ nu} << 1}

Riferimenti

1. (a) Milton Kerker, The Scattering of Light and other Electromagnatic Radiation , Academic Press, 1969
2. (a) Michael M. Modest, Radiative Heat Transfer , Academic Press, 2003 ( ISBN  0-12-503163-7 )
3. Jean-Jacques Greffet, Diffusione della radiazione , Corso della Scuola Superiore di Ottica, 2003