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Resumen . ....................................................................................................................... 3 Capítulo I Introducción y Antecedentes .......................................................................... 4 A. Técnicas de medición y producción de partículas 6 B. Nefelómetros polares 6 C. Mediciones absolutas y relativas 7 D. Mediciones sobre partículas 10 E. Métodos de suspensión de partículas 10 F. Medidas rápidas de dispersión de luz 11 G. Medición partículas 12 H. Instrumentación 14 H.1. Fuentes de luz ......................................................................................... 15 Capítulo II Detalles Experimentales ............................................................................... 30 A. Separación de Partículas 30 B. Determinación de Distribución de Tamaño de Partícula por un Equipo Comercial 30 Capítulo III Resultados..................................................................................................... 31 A. Descripción del Equipo Desarrollado 31 A.1. Intentos Preliminares .............................................................................. 31 A.2. Descripción de la Celda .......................................................................... 32 B. Resultados experimentales 33 B.1. Dependencia con la Concentración ........................................................ 33 B.2. Linealidad ............................................................................................... 36 B.3. Dependencia con el Tamaño................................................................... 36 Capítulo IV Teoría de Mie................................................................................................ 37 Descripción General 37 B. Expansión de una Onda Plana en Armónicos Esféricos 38 C. Solución a las ecuaciones de onda vectoriales 38 D. Expansión de una Onda Plana en Armónicos Esféricos. 45 E. Los campos interno y dispersado 51 F. Funciones dependientes del ángulo. 54 G. Coeficientes de dispersión. 57 H. Secciones transversales y elementos de la matriz. 60 I. Secciones Transversales. 60 J. Ejemplos de Extinción: interferencia y estructura de onda; enrojecimiento. 63 K. La Paradoja de Extinción; Teoría de Difracción Escalar. 67 L. Matriz de Dispersión. 72 M. Un ejemplo de dispersión dependiente del ángulo. 76 N. Ancho finito del rayo. 77 O. Sección transversal de retrodispersión radar. 77 P. Cómputo de los coeficientes de dispersión y secciones transversales. 80 Q. Dependencia de la dispersión con respecto al ángulo de la luz incidente. 82 R. Un poco de definiciones. 83 S. Dispersión por esferas. 86

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Resumen . .......................................................................................................................3 Capítulo I Introducción y Antecedentes ..........................................................................4

A. Técnicas de medición y producción de partículas 6 B. Nefelómetros polares 6 C. Mediciones absolutas y relativas 7 D. Mediciones sobre partículas 10 E. Métodos de suspensión de partículas 10 F. Medidas rápidas de dispersión de luz 11 G. Medición partículas 12 H. Instrumentación 14

H.1. Fuentes de luz ......................................................................................... 15 Capítulo II Detalles Experimentales ...............................................................................30

A. Separación de Partículas 30 B. Determinación de Distribución de Tamaño de Partícula por un Equipo

Comercial 30 Capítulo III Resultados.....................................................................................................31

A. Descripción del Equipo Desarrollado 31 A.1. Intentos Preliminares .............................................................................. 31 A.2. Descripción de la Celda.......................................................................... 32

B. Resultados experimentales 33 B.1. Dependencia con la Concentración ........................................................ 33 B.2. Linealidad ............................................................................................... 36 B.3. Dependencia con el Tamaño................................................................... 36

Capítulo IV Teoría de Mie................................................................................................37 Descripción General 37 B. Expansión de una Onda Plana en Armónicos Esféricos 38 C. Solución a las ecuaciones de onda vectoriales 38 D. Expansión de una Onda Plana en Armónicos Esféricos. 45 E. Los campos interno y dispersado 51 F. Funciones dependientes del ángulo. 54 G. Coeficientes de dispersión. 57 H. Secciones transversales y elementos de la matriz. 60 I. Secciones Transversales. 60 J. Ejemplos de Extinción: interferencia y estructura de onda; enrojecimiento. 63 K. La Paradoja de Extinción; Teoría de Difracción Escalar. 67 L. Matriz de Dispersión. 72 M. Un ejemplo de dispersión dependiente del ángulo. 76 N. Ancho finito del rayo. 77 O. Sección transversal de retrodispersión radar. 77 P. Cómputo de los coeficientes de dispersión y secciones transversales. 80 Q. Dependencia de la dispersión con respecto al ángulo de la luz incidente. 82 R. Un poco de definiciones. 83 S. Dispersión por esferas. 86

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Capítulo V Análisis .........................................................¡Error! Marcador no definido. Capítulo VI Conclusiones.................................................................................................88 Capítulo VII Trabajo por Realizar .....................................................................................88

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Resumen . La medida de dispersión de luz por partículas independientes y homogéneas tiene muchas

aplicaciones en fisicoquímica, meteorología y astronomía. En el presente trabajo se realizan

medidas de dispersión de luz por esferas SiO2 de tamaño arbitrario suspendidas en agua y

diferentes concentraciones, aplicando la Teoría de Mie. Estas mediciones se llevaron a cabo

en un sistema que consta de una celda de vidrio con agitación magnética, un detector que

puede girar angularmente y una fuente de luz láser de Helio-Neón (= 632.8 nm). Los

resultados obtenidos son: la relación entre la concentración de sólidos suspendidos y la

intensidad de dispersión, además de la influencia que tiene el tamaño de la partícula sobre

las mediciones hechas. Este trabajo da principio al desarrollo de un equipo que además de

determinar bajas concentraciones de sólidos suspendidos, podrá dar un perfil de tamaño de

partícula. Paralelamente se desarrolló un programa en Mathematica que calcula los

coeficientes de dispersión, así como las eficiencias de dispersión, extinción y absorción,

todo en función de parámetros ópticos (, n, k), el cuál sirvió para obtener resultados

teóricos.

Índice deFiguras . Figure 1. 4 Figure 2. Comparación de la medición de la concentración de sólidos dispersos

usando sedimentación y reflexión difusa (MC). La escala de la señal MC fue acoplada a la de sedimentación. ........................................................4

Figure 3. ert4w5t t........................................................................................................34

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Capítulo I Introducción y Antecedentes La empresa Tekchem requiere monitorear, para efecto de control de proceso, la

concentración de sólidos de PS5 suspendidos en un fluido turbulento de alcohol.

Actualmente el monitoreo se realiza tomando muestras y midiendo la proporción de

sedimentos, método que conlleva las siguientes desventajas:

La medición no es continua, por lo que no genera una señal que se pueda usar en control automático.

La toma de la muestra requiere el manejo del líquido por parte de un operador.

El CICATA propuso utilizar el principio de reflexión difusa para realizar las mediciones y

armó un instrumento (Medidor CICATA o MC) para ser probado en línea. El MC soluciona

las dos desventajas anteriores ya que es capaz de hacer la medición sin necesidad de toma

de muestra, y puede generar una señal proporcional a la concentración de sólidos. La

Figure 2 muestra resultados preliminares usando el primer instrumento MC.

Figure 1.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 5 10 15 20

Ti empo ( hor as)

Con

cent

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ón (

%)

MC

Sedi ment aci ón

Figure 2. Comparación de la medición de la concentración de sólidos

dispersos usando sedimentación y reflexión difusa (MC). La escala de la señal MC fue acoplada a la de sedimentación.

El instrumento MC fue dañado debido a una descarga del líquido, por lo que ahora se

encuentra en reparación. La Figure 2 dklsfna1

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A. Técnicas de medición y producción de partículas

Hasta hace cerca de 10 años las medidas de dispersión angular a longitudes de onda visible

fueron limitadas a colecciones de muchas partículas cualquiera de las dos dispersiones

natural como en la atmósfera o aquella generada en el laboratorio. Con el advenimiento de

los láseres de alto poder esto ha llegado a ser factible para medir dispersión de luz por

partículas sólidas. Hay buenas razones para medir dispersión para ambas solas y muchas

partículas.

La mayoría de las mediciones de dispersión angular han sido hechas a longitudes de onda

visible y ultravioleta cercano en dónde los detectores (primeramente los tubos

fotomultiplicadores) son sensibles, las fuentes son intensas y los filtros de polarización

buenos y otros elementos ópticos son fácilmente disponibles estos avances de luz visible

disminuyen cuando se cambia a otras longitudes de onda, aunque no hay falta de interés en

ellas. La otra región de longitud de onda principal en la cuál se estudia en el laboratorio la

dispersión angular ha sido hecha en microondas.

B. Nefelómetros polares

Es un instrumento para medir la dispersión de luz angular y es frecuentemente llamado

nefelómetro. Para hacer más preciso el instrumento se muestra esquemáticamente en la

figura, así llamado debido a su capacidad de detección angular. Sus elementos esenciales

son una fuente de luz colimada y un brazo de que puede ser girado cerca de la muestra

(celda de dispersión); montado sobre el brazo esta un sistema detector, el cuál incluye

elementos ópticos para colectar luz dispersada dentro de un ángulo sólido pequeño el

nefelómetro mostrado en la figura es algo idealizado, y cada parte del instrumento puede

ser más complicado.

La fuente de luz puede ser una lámpara (tungsteno – halógeno, mercurio o xenón a alta

presión) con colimadores apropiados o, alternativamente, un láser. Aunque los láseres son

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fáciles de usar y han visto un amplio uso desde su comercialización, no se asume que un

láser es siempre la mejor fuente; esto ciertamente no es lo más económico. Una lámpara de

tungsteno – halógeno de 300 a 500 W para proyectores de diapositivas caseros es barato y

disponible en la mayoría de los estudios fotográficos aunque solamente una fracción

pequeña del poder evaluado es disponible como luz visible, el costo de una lámpara es

solamente una pequeña fracción de lo que es una onda continua de un watt de láser.

Particularmente para el estudio de colección de partículas, dónde ninguno de los dos, un

rayo pequeño o un alto grado de monocromaticidad es requerido, la lámpara de tungsteno –

halógeno puede ser considerado. En estudios de dispersión, por una partícula sola, un láser

es la mejor fuente.

El telescopio sobre el brazo del detector consiste de un lente seguido por una apertura, que

limita la aceptación angular del detector; esto es logrado a costo de menos sensibilidad de

detección. La intersección del rayo incidente con él campo de visión del detector

determinan el volumen de dispersión (volumen iluminado), el cuál consecuentemente

cambia con el ángulo; por lo tanto, la señal medida debe ser corregida por el factor

multiplicativo seno . No es posible hacer medidas a ángulos de dispersión cercanos a 180°

con nefelómetros convencionales debido a que el brazo interfiere con el rayo incidente. A

dispersión a ángulos grandes es importante, y esto requiere frecuentemente que

modificaciones sean hechas así que estos ángulos son accesibles a medición.

C. Mediciones absolutas y relativas

Las medidas de dispersión angular son algunas veces clasificadas como absolutas o

relativas. En una medición absoluta Is/Ii, la cuál es directamente relacionada a la sección

transversal de dispersión diferencial (), es determinada; en una medición relativa la

irradiación es referida a algún ángulo de dispersión arbitrario por decir 10°, así que

(asumiendo una simetría azimutal)

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1)

Las mediciones relativas son considerablemente más fáciles de hacer y son el tipo más

comúnmente reportado. Sin embargo las mediciones absolutas son de importancia, por

ejemplo, en comparación con medidas de sección transversal de dispersión de partículas no

esféricas con cálculos para esferas equivalentes. Notar que “absoluta” como se ha utilizado

el término aquí significa que la dispersión no es normalizada a algún ángulo de referencia

arbitrario; esto no significa que las irradiaciones absolutas son medidas, como con

detectores calibrados. Ambas mediciones relativa y absoluta, las irradiaciones son sin

dimensiones.

Las mediciones absolutas pueden ser hechas girando el brazo del detector desde 0° a , así

obteniendo Ii y Is (); fácil decir pero menos fácil hacerlo: Ii puede ser mil veces más

grande que Is, y errores apreciables son probablemente debidos a falta de linealidad del

detector sobre un tal rango. Un método para superar esto es atenuar Ii con filtros de

densidad neutral a un nivel comparable con Is; si la densidad óptica es conocida la

irradiación incidente sin atenuar puede ser determinada otra técnica es utilizar una

superficie de difusión, tal como vidrio de ópalo o MgO ahumado, en el rayo incidente para

dispersar luz en todas las direcciones. La iluminación no uniforme del fotocátodo,

elevándose de la iluminación no uniforme del volumen de dispersión, puede ser también un

problema. Pritchard y Elliot (1960) y Holland y Gagne (1970) calibraron sus instrumentos

contaron para estos y otros efectos por movimiento de una placa de difusión calibrada a

través del volumen de dispersión e integrando la señal medida sobre la transversal para

cada ángulo y para todas las combinaciones de filtros. Quizá la técnica más simple es

utilizar esferas (poliestireno) con propiedades conocidas –concentración, tamaño de

distribución, e índice de refracción- conjuntamente con cálculos de Mie. Para una fuente de

luz dada y elementos ópticos tales como filtros, la señal del detector Dr es medida con la

muestra de referencia en la celda de dispersión.

.

1010

ddC

ddC

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II

I

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dónde K es un depósito de polvo (dependiente del ángulo) dentro del cuál se deposita toda

la ignorancia acerca de los factores de calibración de instrumento. Bajo las mismas

condiciones otro barrido angular es hecho de la señal del detector D con una muestra

conocida en la celda de dispersión.

dCsca/d es determinada de la razón medida de señales y (dCsca/d)r calculada de la teoría

de Mie para la muestra de referencia:

Esta técnica es muy adaptable a instrumentos bajo el control de una microcomputadora: la

señal de referencia también como la secciones transversales de dispersión diferencial

calculadas son almacenadas en la memoria de la computadora para un conjunto de ángulos

de dispersión; como los datos provistos del barrido de la señal digital a cada ángulo es

dividida por la señal de referencia y multiplicada por la referencia de sección transversal de

la dispersión diferencial para dar la sección transversal de la dispersión diferencial absoluta

de la muestra.

Debido a la pequeña cantidad de luz dispersada por la suspensión de partículas es necesario

excluir cuidadosamente luz extraña del detector. Tal luz puede ser originada de los

alrededores(luz ambiental) o dentro del mismo instrumento. Para excluir la luz ambiental,

la medición puede ser hecha en un cuarto oscuro; o el nefelómetro entero puede ser

encerrado en una caja obscura; o la celda de dispersión puede ser encerrada. La última

.2

d

dC

r

IKD scai

r

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D

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opción complica el instrumento por el requerimiento de una apertura de luz estrecha para la

rotación del brazo del detector. Otra posibilidad es rechazar selectivamente la luz ambiental

con un cortador de luz y un amplificador lock-in sintonizado a la frecuencia del cortador o

con un filtro en el brazo del detector a la frecuencia de la fuente si esta es cercanamente

monocromática para excluir luz extraña originada desde dentro del detector, las trampas de

luz son utilizada para detener el rayo incidente y como un telón de fondo para el detector ().

Similarmente cuidadosa atención debe ser dada al diseño de dispersión, la cuál puede

reflejar hacia atrás luz dispersada hacia delante dentro del detector. Esto es particularmente

un problema serio en la dirección de retrodispersión para partículas grandes: Aún a muy

pequeñas cantidades de reflexión especular de la celda de dispersión puede dominar

fácilmente sobre la dispersión de la muestra. El diseño de la celdas de dispersión llegan aún

a ser más difíciles para mediciones de cantidades pequeñas de polarización circular: la

birrefringencia inducida por la tensión puede dar un incremento apreciable en los errores.

D. Mediciones sobre partículas

En 1961 antes los láseres fueron un instrumento común en los laboratorios, Gucker y Egan

publicaron mediciones de dispersión de luz angular para partículas solas aisladas. Desde el

advenimiento de láseres colimados de alto poder muchas mediciones sobre partículas solas

han sido publicadas, particularmente en la última década y el diseño de instrumentos ha

proliferado para obtener sucesivamente información de dispersión de luz angular de

partículas solas en usualmente necesario tomar una o dos aproximaciones: establemente

suspendidas las partículas y el uso de nefelómetro convencional tal como el de la figura (),

o hacer mediciones rápidas sobre partículas solas en flujo.

E. Métodos de suspensión de partículas

Hay varios métodos para levitación de partículas solas. Uno de ellos utiliza un aparato

modificado del aparato de Millikan de la gota de aceite en el cuál la partícula es cargada y

balanceada contra la gravedad por un campo eléctrico entre placas paralelas para estabilizar

la partícula lateralmente el campo eléctrico es deformado por una aguja cargado; un

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servomecanismo mantiene el voltaje aplicado a un nivel necesario que asegura la

estabilidad vertical. Esta técnica ha sido utilizada para mediciones de esferas de

poliestireno, bacterias, partículas de NaCl y NaCl-H2Oy determina los coeficientes de

difusión. Las partículas suspendidas por levitación electrostática tienden a voltearse

aleatoriamente; esto es una ventaja en el estudio de la dispersión promediada sobre la

orientación de todas las partículas, pero es una desventaja pero si se esta interesado en la

orientación de las partículas.

Un rayo láser vertical ha sido utilizado por Ashkin (1970) y Ashkin y Dziedzic (1971) para

levitar partículas esféricas débilmente absorbentes por presión de radiación. La estabilidad

lateral resulta del dominio de las componentes de luz dispersada refractada sobre la

reflejada. Reflexión diferente sobre los lados opuestos de las partículas, la cuál es causada

por un rayo no uniforme, produce una fuerza neta que conduce a la partícula hacia niveles

de luz más bajo; esta inestabilidad es antagonizada por refracción, la cuál produce una

reacción que conduce a la partícula hacia niveles de luz más altos. La partícula es así

lateralmente estabilizada en la parte más intensa del rayo. La levitación láser tiene la

desventaja que no puede ser utilizada con partículas fuertemente absorbentes, las cuáles son

probablemente vaporizadas en rayos suficientemente poderosos para levitación.

Quizás el más simple, pero método menos utilizado para soportar partículas solas fijar a

ellas fibras muy finas tal como fibras de vidrio o hilos de araña. El diámetro de la fibra

puede ser pequeño comparado con las partículas más grandes como cerca de 1 m.

Además, las características de dispersión por cilindros largos pueden ser utilizados como

ventaja: la dispersión por fibras oblicuas al plano de dispersión es confinada solamente en

una o dos direcciones de las cuáles descansan en este plano. Este método simple provee de

un medio para fijar la orientación de la partícula; sus desventajas son la necesidad de

considerar la dispersión por la fibra de soporte y la posibilidad de la interacción

electromagnética entre la fibra y la partícula.

F. Medidas rápidas de dispersión de luz

Más que suspender una partícula en el volumen de dispersión por un tiempo suficiente para

hacer un barrido con un nefelómetro convencional, los datos de dispersión pueden ser

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grabados rápidamente durante el corto tiempo tomando una partícula que transita el

volumen de dispersión. Esto puede hacerse de dos formas: (1) Con un detector girando o

abertura (o ambas), o (2) con un arreglo de detectores fijos

Marshall (1976) utilizó un segmento anular de un espejo elipsoidal para dirigir la luz

dispersada por una partícula en un foco a un detector fijado en el otro foco; una abertura

(5°)girando a 3000 r.p.m. entonces da un barrido de 360° en 20 msec. Morris

(1976)montado un detector sobre un plato giratorio que gira a 1 Hz; en 1 sec. este da un

barrido de 0° a 180° y de 180° a 60°;estos barridos no son necesariamente idénticos. Hay al

menos dos razones para hacer barridos a 360° en lugar de barridos a 180°: partículas solas

(aparte de esferas) son propensas a ser asimétricas azimutalmente; y tales barridos muestran

un instrumento desalineado.

Arreglos de detectores fijos fueron ideados por Diehl (1979) y por Bartholdi (1980) para

medir dispersión por partículas solas. Los autores anteriores montaron detectores a +-45°,

+-90°, +-135°,combinación de cada dos o tres de los cuales se muestreo luz dispersada en

intervalos 16.7msec (60 Hz de índice de muestreo). El instrumento de Bartholdi tiene un

segmento anular de un reflector elipsoidal para enfocar luz dispersada dentro de un arreglo

circular de 60 detectores fotodiodos. Este instrumento fue diseñado para aplicaciones en las

cuales un flujo de células biológicas en una sola fila (a una razón de flujo por arriba de

1000 partículas por segundo) a través del volumen de dispersión; analizando la luz

dispersada, células de poblaciones heterogéneas pueden ser identificadas y posiblemente

separadas flujo abajo.

G. Medición partículas

La medición de partículas por dispersión de luz elástica ha sido utilizada ampliamente por

que es no destructiva y puede ser hecha rápidamente Kerker (1969) ha discutido varios

métodos de medición de partícula con detalle, incluyendo aquellos para colección de

partículas distribuidas en tamaño. La dificultad de mediciones invertidas para obtener una

distribución de tamaño se incrementa con su ancho. Este inconveniente ha dirigido al uso

más grande de métodos en los cuáles la luz dispersada por partículas fluyen únicamente a

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través del volumen de dispersión es analizado para medir tamaños. Pulsos de luz dispersada

dentro de un conjunto de direcciones son detectados y clasificados electrónicamente dentro

de un depósito de acuerdo a la altura; la distribución de tamaño es determinada por el

histograma de la altura el pulso por medio de una curva de calibración relacionando la

altura de pulso al tamaño de partícula. Los instrumentos comerciales son ahora disponibles

para este propósito; ellos difieren de acuerdo a las direcciones para las cuáles la luz

dispersada es colectada y la fuente de iluminación, la cuál puede ser un láser o una luz

enfocada desde una lámpara incandescente.

La respuesta R del instrumento de la dispersión de luz por una partícula sola es

G describe la iluminación y la colección geométrica, f incluye el espectro de la fuente y la

sensibilidad espectral del fotodetector, y la sección transversal de dispersión diferencial

dCsca/d puede ser calculada de la teoría de Mie si las partículas son esferas.

Cálculos para esferas son mostrados en la figura; la estructura de ondulación e interferencia

son evidentes en las curvas para esferas no absorbentes estas curvas demuestran algunos de

los problemas que deben ser enfrentados en el diseño y uso de instrumentos de medición de

partículas. Debido a la estructura de interferencia, la respuesta es una función multivaluada

Del tamaño: Esferas de tres tamaños diferentes pueden dar la misma respuesta esto puede

ser mitigado por alguna extensión para cierta clase de aerosoles seleccionando un

discriminador electrónico acomodando para evitar regiones de menos multivaluados. Si las

esferas de índices de refracción desconocido o diferentes están para ser clasificadas según

el tamaño, la variación de la respuesta con el índice de refracción puede ser un problema.

Dos instrumentos considerados por Cooke y Kerker (1975) tenían funciones de respuesta a

un solo valor, presumiblemente debido a las fuentes de luz de banda ancha (blanco)

aberturas angulares grandes para ambas luz incidente y dispersada.

dfdd

dCGR sca

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La calibración esta basada invariablemente sobre esferas lo cuál significa que un

instrumento puede ser utilizado con seguridad para tales partículas. Por supuesto, una

respuesta será debidamente grabada si una partícula no esférica pasa a través del volumen

de dispersión.

De acuerdo a la teoría de difracción escalar la amplitud de dispersión en la dirección hacia

delante es proporcional al área de la sección transversal de la partícula, independientemente

de su forma, y es independiente del índice de refracción. Para el alcance está teoría de

difracción es una buena aproximación, por lo tanto, el radio correspondiente a la respuesta

de un instrumento que colecta luz dispersada cerca de la dirección hacia delante por

partículas no esféricas es aquella de una esfera con igual área de sección transversal. La

más grande de las partículas, sin embargo la luz más dispersada es maximizada en la

dirección hacia delante y lo más difícil de esto es discriminar entre la luz dispersada y sin

dispersar (incidente). No obstante, las posibles ventajas de la independencia del índice de

refracción y la insensibilidad a la forma hace de la dispersión de ángulo bajo un atractivo

método de medición de partículas. Basados sobre cálculos de funciones de respuesta para

varios instrumentos Heyder y Gebhart (1979) concluyeron que la distribución del tamaño

de partícula con índice de refracción desconocido puede ser determinados exactamente por

dispersión de ángulo bajo de luz policromática dependiendo del instrumento, las partículas

esféricas en un rango de tamaño de 0.2 y 15 mm pueden ser determinado su tamaño

exactamente por dispersión de luz si su índice de refracción es conocido.

H. Instrumentación

Hay muchos diferentes vías para elegir de entre el diseño y construcción de un analizador

de dispersión de luz angular. Dependiendo en las especificaciones o aplicaciones deseadas,

hay diferencias en como diseñar los mecanismos ópticos, electrónicos y el software

utilizado en el instrumento. Esto es especialmente verdad en la investigación académica,

situación donde diseños únicos son creados para proyectos de investigación específicos.

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H.1. Fuentes de luz

Hay dos tipos de fuentes de luz utilizadas en instrumentos de dispersión de luz angular. Una

es una fuente de luz blanca, típicamente una lámpara de tungsteno-halógeno, la otra es una

fuente luz láser continua. La anterior tiene polarización aleatoria y un amplio rango

espectral con longitudes de onda típicamente recorriendo desde 250 nm a 3000 nm y puede

ser utilizado cuando se requieren mediciones en múltiples longitudes de onda. Poniendo

filtros de diferentes longitudes de onda y polarizadores en el patrón del rayo antes de la

cámara de muestra, uno puede hacer mediciones de dispersión en longitudes de onda

seleccionadas y diferentes polarizaciones. La luz láser tiene muchas ventajas,

especialmente apreciables son el alto grado de estabilidad del láser, largo tiempo de vida,

iluminación monocromática y larga coherencia espacial y temporal. Así aunque el uso de

un láser como fuente de luz no es esencial, este provee beneficios definitivos y es ahora

casi siempre utilizado en instrumentación moderna de dispersión láser como la principal o

única fuente de luz.

La siguiente tabla lista las características principales de láser utilizados comúnmente.

Tipo de Láser Potencia (mW) Longitud de onda

(nm) Rasgos o características.

Ar ion 30-2000 4888, 514.5 Circularmente colimado, necesario enfriamiento de agua para potencia alta

He-Ne 1-50 543.5, 594.1, 612.0, 632.8

Circularmente colimado

Diodo Láser 0.1-200 405, 450, 635, 650, 670, 685, 750, 780

Bajo costo, miniatura e interfaceable con fibras ópticas, elíptico y salida muy divergente

El rayo de luz de un láser He-Ne es circular con simetría radial y es colimado con

divergencia pequeña (< 2 mrad). Un láser He-Ne produce una luz monocromática estable y

puede tener una vida esperada superior a 20,000 horas. Por esta razón y debido a su

disponibilidad, el láser He-Ne (0 = 632.8 nm) son comúnmente utilizados en instrumentos

de dispersión láser. Avances recientes en semiconductores y fibras ópticas han permitido

que diodos láser reemplacen a ambos láseres de ion y gas más y más debido a su bajo

costo (con frecuencia solamente una décima parte de un láser de gas), tiempos de vida

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largos (> 50,000 horas), bajo voltaje de operación, y compacidad (por ejemplo, un paquete

500 mm3 puede alojar un láser de un solo modo de 200mW). Sin embargo, opuesto a un

láser He-Ne o láser ion Argón, la luz de un diodo láser no es colimada ni simétrica

radialmente y este tiene severo astigmatismo (la divergencia de luz en dos direcciones

perpendiculares es diferente)una luz monocromática de un diodo láser debe ser

condicionada. Un conjunto de componentes ópticos es necesitado para realizar la

corrección de la divergencia, corrección de la asimetría y corrección del astigmatismo para

obtener un rayo circular colimado. Últimamente, con los avances en micro óptica, tales

como micro lentes de índice gradiente y técnicas de fibra óptica de cola de cerdo, estás

tareas pueden ser logradas en una manera compacta y algunos componentes ópticos han

sido integrados paquetes de diodos láser disponibles comercialmente. Aun luz de láseres de

gas o de diodos láser condicionados están colimados con una divergencia pequeña,

imperfecciones en la superficies ópticas y dispersión causada por polvos de partículas

hacen el rayo de luz “sucio” y puede afectar las medidas de dispersión, especialmente en

ángulos pequeños. Un dispositivo que es utilizado para treta una fuente de iluminación es

conocido como filtro espacial. La filtración espacial puede suprimir un rayo de segundo

plano y mantiene una distribución del rayo de irradiación muy alisado o fino.

Un filtro espacial convencional consiste de un conjunto de elementos ópticos, tales como

lentes y aperturas. Desde que toda la luz background se propaga en direcciones divergentes

del rayo principal este es espacialmente separable en el plano focal del lente. Centrado en

una pequeña abertura en el punto focal del rayo principal la mayoría de la luz de segundo

plano será bloqueada, permitiendo solamente el rayo principal pase. El resultado es un

cono de luz que tiene una muy alisada distribución de irradiación y puede ser expandido

para formar un rayo colimado que es casi igualmente tan alisado. La figura 3.16a es una

ilustración de filtración espacial utilizando ópticos convencionales. Este tipo de filtro

espacial no es inmune al movimiento mecánico y es grande en volumen y llega a un alto

costo. Un nuevo y más fuerte diseño de filtro espacial emplea una longitud de mono modo

de fibra óptica acoplada a un diodo láser junto con un sistema óptico que utiliza micro

ópticos tales como lentes de índice gradiente (figura 3.16B). Fibras mono modo tienen

diámetros muy pequeños (típicamente medidos en micras), y mantienen solamente la

propagación de ondas de luz a lo largo del eje de la fibra, efectivamente la filtración saca

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toda la luz extraña por contracción espacial. El diámetro pequeño de una fibra mono modo

crea un punto cerca de la fuente luz, el cual es superior en esta aplicación a diseños de filtro

espacial convencionales. Después dejando la fibra, la luz es expandida por un sistema de

lentes a un rayo circular colimado con un diámetro de alrededor de 10-20 mm el cual

ilumina la muestra en la cámara de muestra (8). En ambos arreglos, el diámetro de salida

del rayo circular puede ser ajustado por el ajuste de la distancia entre la abertura y el lente

(Figura 3.16A), o entre la punta de la fibra t el lente (Figura 3.16B).

Colección óptica.

Las partículas en la cámara de muestra dispersan luz fura del rayo incidente. En la salida de

la cámara de muestra la luz dispersada puede ser guiada al plano del detector de una u otra

forma por óptica de Fourier o por la de inversa de óptica de Fourier. Un típico esquema de

estas dos configuraciones ópticas es mostrado en la figura 3.17.

En la óptica de Fourier (Figura 3.17a), las partículas pasan a través de un rayo láser

colimado y expandido a una distancia fijada enfrente de un lente cuyo plano focal esta

posicionado sobre un arreglo del detector fotosensible. El lente, el cual puede ser un lente

solo o compuesto de varios lentes, puede ser redondo o rectangular con una dimensión

típicamente alrededor de 50 mm. Juntos, la longitud focal o la longitud focal efectiva(en el

caso de un arreglo de multi lentes), el arreglo detector, y la longitud de onda del láser

determinan el recorrido de tamaño de partícula que puede ser analizado. El lente de Fourier

en la figura 3.17a sirve para dos funciones: enfoca el rayo incidente así este no interferirá

con la luz dispersada, y también transforma la luz angularmente dispersada dentro de una

función de localización en el plano de detección. El rayo incidente es traído sobre el plano

de detección por el lente y es cualquiera de los dos reflejado fuera por un espejo (Figura

3.17c), o pasado a través de una abertura en el centro del detector a un rayo monitor (Figura

3.17d). El patrón de dispersión angular es grabado por el arreglo detector. La característica

más importante de la óptica de Fourier es que a un ángulo específico la luz dispersada será

refractada por el lente de manera que cae sobre un detector particular, independientemente

de la posición de la partícula en el rayo. Las partículas pueden fluir o moverse a través de

alguna parte del rayo aún así si patrón de difracción permanece estacionario y proporcional

en intensidad al número total de partículas contribuyendo a la dispersión. En una muestra

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poli dispersa el patrón angular puede cambiar sobre el tiempo así la distribución del número

de partículas en el volumen de dispersión varia sobre el tiempo, con partículas entrando y

dejando el rayo. Esta variación temporal es usualmente integrada sobre el tiempo para dar

una representación promedio de la muestra.

El diseño de la óptica es guiado por la geometría del detector y el rango de medición

deseado para una dimensión dada del arreglo detector. Para partículas grandes, para

detectar lóbulos de dispersión central, el ángulo donde el primero es localizado tiene que

ser muy pequeño y la resolución angular necesita ser alta debido a las fluctuaciones rápidas

de intensidad angular en la luz dispersada. Por otra parte, para detectar partículas sobre un

rango amplio de tamaño, un rango angular ancho(usualmente resultando en baja

resolución) tiene que ser utilizado en el mismo arreglo detector. Estos dos requerimientos

conflictivos tienen que ser balanceados si solamente una configuración de lentes y arreglo

detector es utilizado. El ángulo de dispersión máximo, max, en el cual la intensidad de

dispersión aún puede ser colectada por el lente es determinada por la distancia entre la

cámara de muestra y el lente (l, en la Figura 3.17a), el tamaño del lente (dL), y la dimensión

del rayo (D):

Para cualquier estructura y dimensión dada de un arreglo detector, el rango angular cubierto

es inversamente proporcional a la longitud focal del lente. Para una longitud focal corta

(por ejemplo, f = 20 mm), l será pequeña; el mismo arreglo detector cubrirá un rango

angular más ancho. La estructura fina en ángulo muy pequeño será entonces perdida

debido a que el primer detector corresponderá a un ángulo más grande que comparado a

una configuración usando un lente con una longitud focal más larga (por ejemplo, f =

5000mm). La cobertura angular global ahora llega a ser más pequeña pero el primer

detector corresponderá a un ángulo mucho más pequeño y así la resolución angular es más

grande que en la conformación de la longitud focal corta. Esto, sin embargo, resultará en

una muy larga banca óptica.

Una forma para diseñar una conformación óptica teniendo un rango ancho de tamaño

dinámico es utilizar un conjunto de lentes con diferentes longitudes focales para cubrir

partículas en diferentes rangos de tamaño. Cada lente cubre un estrecho rango de tamaño.

Cuando las partículas salen del rango están para ser medidas, un lente diferente reemplaza

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el actual lente. De la ecuación 3.1, para cambiar el rango de detección angular, uno puede

cambiar D o l, dado que hay un pequeño espacio para cambiar dL. Uno puede utilizar una

longitud focal corta para incrementar el rango de detección angular y utilizar una longitud

focal larga para reducir el rango de detección angular. Por ejemplo, en un diseño óptico

teniendo un lente de longitud focal f = 50 mm con un diámetro de rayo de 2.2mm, el rango

de medición es 0.18-87.5 m. Cuando este lente es reemplazado con uno de f = 5000 mm y

el diámetro del rayo es incrementado a 39 mm, el rango de medición es recorrido a 45-8750

m (1).

El incremento en el diámetro del rayo como la longitud focal es incrementada sirve para

dos propósitos. Primero, cuando se miden partículas grandes , D tiene que estar en la menor

cantidad más grande que la partícula más grande para evitar inexactitud estadística e

iluminación incompleta. También, una D más grande llega a ser posible cuando f

incrementa debido a estructura de lente factible. Segundo, la dimensión del punto focal en

el plano focal es proporcional a la razón de la longitud focal a el diámetro del rayo (f/D). Si

f incrementa y D permanece igual, el resultado es demasiado grande en el punto focal y

detección en ángulos pequeños llegará a ser imposible. Como un ejemplo, para detectar el

detalle en lóbulos centrales de un patrón de difracción, uno quiere el primer ángulo de

detección cerca de un tercio de la localización del primer mínimo. Esto requiere que el

ancho del rayo sea menos de cuatro veces más grande el diámetro de la partícula.

Sin embargo, cambiando el lente puede haber efectos adversos en la robustez del

instrumento e integración. La necesidad para realinear cada vez una lente es cambiada o

movida frecuentemente para prevenir los resultados de ser altamente reproducibles y

también causa inconveniencia en operación. Una forma diferente para lograr detección

angular ancha mientras evitando el cambio o movimiento de lentes sin comprometer

resolución esto para usar un segundo lente y un segundo arreglo detector colocados en un

ángulo grande. Tal diseño es mostrado en la figura 3.18, también evita el uso de lentes

grandes excesivamente. Por un lado el costo de lentes grandes, la calidad del tallado de los

lentes y las aberraciones asociadas que pueden afectar señales de ángulo grande llegan a ser

más severas conforme el diámetro del lente incrementa.

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La suma de un segundo lente y un segundo arreglo de fotodiodos puede extender el ángulo

de detección más de 35 grados, efectivamente extendiendo el rango de medición más bajo a

menos de unos cuantos micrones(9). Para detectar la intensidad de dispersión sobre algún

rango angular más ancho, una alternativa sería utilizar láseres múltiples posicionados en

diferentes direcciones así que el mismo arreglo detector recibiría dispersión desde la misma

partícula pero iluminada por diferente láser creando diferentes ángulos de dispersión

efectivos(10).Por ejemplo, en el sistema mostrado en la figura 3.18, si los dos detectores

cubren un rango angular desde 0° a 30° utilizando rayo 1, alternando a rayo 2 los ángulos

de dispersión cambiaran a ° a (30+)°. El rango de dispersión angular entonces será desde

(150-)° a (180-para el rayo 3. En un arreglo óptimo de ambos los tres rayos y los dos

arreglos detectores, una distribución de intensidad angular continua desde 0.02 a 165

grados es posible. Sin embargo, la alineación de múltiple de láser (como una función de

ambas intensidad y posición) es inherentemente compleja y puede ser inestable. Niveles de

intensidad no sincronizados, fluctuaciones de polarización y alguna tendencia en los tres

láseres afectará la uniformidad del patrón angular conduciendo a un posible error de

medida adicional debido a el patrón angular es creado a través de tres mediciones

independientes. En suma, debido a la naturaleza de patrones de dispersión angular, la

dimensión del detector y el espaciamiento debería ser diferente cuando detectando luz

dispersada a ángulos pequeños o a ángulos grandes. En un arreglo triláser la misma

geometría del detector tiene que ser utilizada para ambos ángulos pequeños y grandes

cuando intercambien entre láseres, y optimización de la detección de dispersión puede ser

difícil llevar a cabo. Como se estableció en la sección 3.1, simplemente incrementando el

ángulo de detección solamente resulta en mejoramiento limitado. Para algún ulterior

incremento en rango dinámico, una aproximación diferente tiene que ser utilizada, tal como

la técnica PIDS la cual utiliza ambos efectos de longitud de onda y polarización.

Otro arreglo de colección óptica, mostrado en la figura 3.17b, es conocido como inversa de

ópticos de Fourier, en el cual las posiciones relativas de la cámara de muestra y el lente de

Fourier están intercambiados. En la inversa de óptica de Fourier, las partículas no están

iluminadas por un rayo colimado; en lugar de eso, ellas están en un rayo convergiendo con

el rayo convergente determinado por la longitud focal del lente. La luz dispersada desde las

partículas no es colectada por otro lente; en lugar de eso es directamente recibida por el

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detector. La limitación del tamaño del lente es por lo tanto removida. En este arreglo, un

lente con una longitud focal larga puede ser utilizado sin incremento en la longitud de la

banca óptica y el limite superior de medición más grande es posible. Si las dimensiones del

detector son incrementadas, la detección de dispersión a ángulos grandes es también

posible sin la necesidad para un segundo lente. Pero dependiendo en la localización de

partículas en el rayo, en tal arreglo, la luz dispersada desde el mismo ángulo no llegará a la

misma localización en el plano de detección. El mismo detector recibirá luz dispersada de

diferentes ángulos de dispersión dependiendo de la localización de la partícula en el rayo

convergiendo. La Figura 3.19 muestra un análisis geométrico de la relación entre la

posición de la partícula y el ángulo de dispersión para el mismo punto en el plano de

detección.

Basados en la simple geometría se pueden derivar las siguientes relaciones del rango de

dispersión angular para cada punto en el plano de detección debido a las diferentes

localizaciones de las partículas en el rayo:

De la ecuación 3.2, once l0 llega a ser mucho más pequeño que l2, el error introducido

puede ser despreciable para partículas teniendo la misma distancia hacia el plano de

detección pero en diferentes posiciones verticales (partículas 2 y 3 en la figura 3.19).

Debido a que es pequeña esta tendrá un pequeño efecto sobre los tamaños de partícula

deducidos. en el mismo detector como detectada de partículas teniendo distancias

diferentes del plano de detección (partículas 1 y 2 en la figura 3.19) es proporcional a la

distancia relativa ((l2-l1)/l1). Esto introducirá un notable error de medición si la distancia

relativa no es pequeña. En la práctica, si la distancia desde el plano de detección a la

cámara de muestra es 20 cm y el espesor de la cámara es 5 mm, la máxima incertidumbre

angular sería 2.5%. Así, cuando utilizamos óptica inversa de Fourier, la cámara de muestra

deberá ser delgada así que cualquier error de medición puede ser minimizado. Los dos

anteriores tipos de diseños (óptico de Fourier y óptico inverso de Fourier) pueden también

estar mezclados así las mejores características de ambos diseños puede ser combinada.

En un típico sistema óptico PIDS (Figura 3.21), luz de una fuente de luz blanca, por

ejemplo, una lámpara de tungsteno-halógeno, es pasada a través de filtros de varias

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longitudes de onda y en dos polarizaciones. Luz colimada iluminando la celda de muestra

es grabada por un rayo monitor. La intensidad diferencial en la luz dispersada es grabada

por detectores localizados a través de un rango angular ancho, típicamente desde 60 grados

a 145 grados. Las mediciones son hechas a cada longitud de onda y polarización.

Sistema de detección.

El arreglo detector es quizá el elemento más sofisticado en un instrumento de dispersión

láser. Los detectores de silicón son comúnmente utilizados como dispositivos detectores en

analizadores de dispersión láser debido a su ancho rango dinámico( más de 7 décadas de

respuesta lineal), su alta sensibilidad (< 0.5 A/W responsivity) y la larga vida del material

de silicón. Últimamente, los detectores instrumento de carga acoplada (CCD) han sido

probados en analizadores de difracción láser debido a que ellos presentan una ventaja en

términos de su alta resolución y geometría en dos dimensiones. Sin embargo, el estrecho

rango dinámico y baja sensibilidad de los detectores CCD limita su aplicación a un rango

de tamaño más estrecho cuando es comparado con los detectores de silicón. Para partículas

grandes en la región de difracción de Fraunhofer, el patrón de difracción es la transformada

de Fourier de la forma de la proyección de la partícula. Si la imágenes de la partícula son

adquiridas por un CCD la transformada de Fourier de las imágenes, las cuales son patrones

de difracción, pueden ser computarizadas y utilizadas en el análisis de datos. De esta forma,

no es necesaria una larga banca óptica cuando se miden partículas grandes. En resumen, la

capacidad para medir la localización precisa del rayo incidente sobre el CCD elimina

parcialmente la necesidad de una fina alineación mecánica(11,12).

La geometría de un arreglo detector depende de el rango angular considerado, sensibilidad,

resolución angular y otras consideraciones adicionales. Idealmente, la superficie del

detector debe tener una reflectividad de cero. Desde la intensidad máxima central es tanto

más fuerte que aquella de la máxima subsiguiente (ver tabla 2.2) , cualquier reflexión desde

el pico central puede afectar significativamente la detección de las intensidades más bajas

en ángulos más grandes. Como se muestra en la Figura 2.4 y la Figura 2.13, para partículas

grandes una característica importante del patrón de dispersión medido logarítmicamente es

que la forma del patrón de dispersión permanece el mismo solamente con su posición en

el eje del logaritmo del ángulo desplazado lateralmente, por ejemplo, este es corrimiento

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invariante. La localización de el primero de unos cuantos máximos y mínimos de los

patrones de dispersión en ángulos pequeños de dispersión para diferentes tamaños cambia

linealmente si el ángulo de detección es escalado logarítmicamente. Así, un arreglo racional

de elementos en un detector tiene una progresión logarítmica, cada detector siendo más

grande que uno precedente por una constante múltiple. El área total de cada detector

incrementa con el incremento del ángulo. La progresión angular o espaciamiento entre

detectores de ángulo pequeño es mucho más pequeña que aquella entre detectores de

ángulo grande para mantener una resolución similar sobre el rango de tamaño entero.

Módulo de muestra.

La función principal del modulo para mantener la muestra es exponer partículas a la luz sin

discriminación a su tamaño pero también sin introducción algún efecto indeseable tal como

burbujas de aire, turbulencia térmica, desgaste, o aglomeración. Un modulo de muestra

típico es compuesto de una cámara de muestra acoplada a un sistema de dispersión y

circulación. Hay tres categorías generales de sistemas de dispersión: aquellos diseños para

polvos secos, para dispersión de líquidos y para aerosoles. Dependiendo del requerimiento

específico del instrumento, este puede ser utilizado para realizar mediciones de laboratorio,

o para pruebas sobre línea (o dentro de línea). Los módulos de procesamiento de muestras

específicas serán frecuentemente diferentes. Para aerosoles, un adaptador es típicamente

puesto próximo al rayo así inhalante seco o vaporiza líquidos (desde el propulsor o bomba

de vaporización) puede ser medido a diferentes distancias de la boquilla del vaporizador.

Un activador puede ser utilizado para controlar la longitud del golpe también como

velocidad y aceleración de vaporización. Una tubería con extracción de vacío con un filtro

es colocada opuesta al flujo de partícula así que los aerosoles pueden ser colectados y

dispuestos adecuadamente.

Partículas en medio líquido (polvos secos y líquido sostenido partículas en dispersión

liquida donde el medio de dispersión puede ser cualquiera acuoso o un medio orgánico)

puede ser pre-dispersado antes de ser adicionado al módulo de muestra; o, alternativamente,

adicionado directamente dentro del líquido, frecuentemente con algún aditivo utilizado para

ayudar a la dispersión. La suspensión líquida es continuamente recirculada en un sistema

de circulación de lazo cerrado así que cada partícula puede entrar al volumen de dispersión

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más de una vez y su orientación en el rayo será más probablemente aleatorizada. La parte

de circulación y dispersión del módulo de muestra puede incluir ciertos mecanismos tales

como bombas de circulación, espiral de calentamiento, una sonda ultrasónica, y barras de

agitación para una mejor ayuda a la dispersión y circulación de la partículas. Figura 3.27

muestra dos sistemas típicos de circulación de muestra para partículas en liquido.

Dos tipos de bombas de circulación pueden ser utilizadas, centrifugas y peristáltica. Un

buen sistema de circulación debe proveer homogeneidad a la muestra, circulación efectiva

y mínimo desgaste. La eficacia de cualquier sistema de circulación puede influenciar los

resultados de la medición, algunas veces significativamente. La capacidad necesaria del

modulo de muestra, el cual incluye el volumen en conjunto del deposito de muestra, tubería

y cámara de muestra, es determinado por el tamaño promedio de partícula y la anchura de

distribución de las muestras a ser analizadas. Para un sistema cerrado, la capacidad mínima

necesaria para medir representativamente una muestra particulada es proporcional al

tamaño de partícula y poli dispersión. El tamaño de partícula mas grande y la distribución

mas ancha, la cantidad mas grande de muestra(y así también la mas diluida) es requerida.

Una capacidad de entre 0.1 –1 litro es frecuentemente adecuada. Por otra parte, para

muestras de gran valor o para partículas muy pequeñas, algunas veces solamente una

cantidad pequeña (0.01g) de espécimen es disponible. El modulo de muestra entonces

requiere solamente de una capacidad pequeña (<50 ml, figura 3.27b).

Instrumentación calibración y verificación.

En el común entendimiento de calibración, el procedimiento de calibración puede

involucrar la medición de algunos materiales de referencia cuyo tamaño ha sido

cuidadosamente determinados y verificados por otras técnicas de referencia, y la constante

de calibración del instrumento será ajustada a igualarse al valor probado. Sin embargo,

desde que la difracción láser es una tecnología de medición absoluta no es requerido utilizar

materiales de referencia para calibrar el instrumento, aunque uno puede utilizar estos

materiales para verificar la validez y estado de un instrumento. Para un analizador de

difracción láser, la calibración esta principalmente relacionada a la alineación de la óptica

(p.e., láser y detectores). Puesto que en muchos casos los detectores son grabados sobre un

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circuito de tablero ellos no son componentes móviles individuales. La tarea es simplemente

alinear el láser, enfocar el lente, y el arreglo detector.

El alineamiento preciso del arreglo detector es crítico para obtener resultados correctos,

especialmente para partículas grandes. Tomando la derivada de la ecuación 2.20,el error

relativo de medición introducido debido al error en el ángulo de dispersión es linealmente

proporcional al diámetro de la esfera en la región de Fraunhofer (l = 0.75 m):

Un 0.01 grado de error en el ángulo de dispersión producirá un 9.5% de error en tamaño

para una partícula de 500 m, pero producirá solamente un 0.095% de error (el cual es

despreciable), para una partícula de 5 m. Un análisis detallado de desalineación óptica en

instrumentos utilizando la mitad de un anillo dando forma al detector indica que para

mantener el error de medición debido a alguna desalineación menor que 0.5%, la alineación

transicional (excentricidad) tiene que ser mejor que 2.5° cuando es comparada con el óptico

diseñado idealmente.(19)

Hay tres técnicas comunes utilizadas en alineación de instrumentos. Una es utilizar un

control esférico o estándar que es grande y mono disperso en tamaño (a unos cuantos

cientos de micras). Si un instrumento es alineado el patrón de difracción corresponderá al

patrón predicho de la teoría. Este esquema confía sobre una muestra ideal que es

frecuentemente cara obtener. Todos los factores operacionales tienen que ser considerados,

tales como concentración, dispersión, circulación, etc.; y el control que se tiene para

reemplazar la muestra en la cámara de muestra para realizar la alineación. Así, este

esquema es frecuentemente utilizado solamente para validar y no para alinear

rutinariamente el instrumento. La segunda técnica es utilizar el rayo incidente hacia delante

como estándar de alineación, como es descrito es la figura 3.31.

Aquí tres detectores triangulares sirven como los blancos de alineación. Para un punto

enfocado desde el raro incidente, perfectamente alineados solamente serán aproximados

una vez los tres detectores, detectando la misma cantidad de intensidad. Este método es

basado en una suposición que el punto focal tiene una distribución de intensidad

centralmente simétrica y es perfectamente circular. Sin embargo, debido a las

imperfecciones en los lentes y las fuentes de luz asimétricas del punto focal es inevitable y

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es único para cada instrumento puesto que la óptica en cada instrumento es diferente. Así,

aunque cada instrumento puede lograr cierto grado de reproducibilidad y precisión después

de la compensación por cualquier asimetría, una muestra medida utilizando diferentes

instrumentos puede dar diferentes resultados porque la óptica en cada instrumento tiene sus

propias características. La típica reproducibilidad instrumento-instrumento es alrededor de

un pequeño porcentaje de instrumentos que son alineados utilizando esta técnica.

El tercer método es utilizar un retículo de campo oscuro. Un retículo de campo oscuro

puede ser un orificio circular de unos cuantos cientos de micra de diámetro (o un conjunto

de orificios) en una hoja de metal o un conjunto de puntos circulares negros en una hoja

transparente. Ambos orificios transparentes o puntos negros difractan luz precisamente

igual como partículas esféricas grandes teniendo el mismo tamaño. Insertando el retículo

dentro del rayo el patrón de dispersión de los orificios o puntos puede ser utilizado para

realizar la alineación. Si el rayo es mal puesto desde el centro entonces las intensidades

detectadas en los tres detectores (figura 3.31) o cada cuadrante de detectores (figura 3.23)

será distorsionada diferentemente.

Adquisición de datos y análisis.

Conforme una muestra es introducida en la cámara de muestra, está comienza a dispersar

luz fuera de su patrón directo a lo largo del eje óptico, y la señal en el rayo monitor decrece.

Cuando hay una suficiente cantidad de partículas en la cámara de muestra crea una buena

señal en los fotodetectores, pero no tanto como para causar dispersión múltiple, las

condiciones son optimizadas y se da inicio a la medición. Durante cada “barrido”, la

intensidad de luz es convertida a corriente eléctrica por los fotodetectores, y la señal de

cada detector es procesada por un circuito de amplificación dedicado o es conectado a

multiplexers y procesado por un solo circuito amplificador que cicla a través de todos los

detectores secuencialmente. Las señales son entonces digitalizadas y transferidas a la

computadora. Cada medición consiste de muchos barridos que pueden tomar una fracción

de segundo o más largo dependiendo en el diseño de la electrónica. Los datos de cada

barrido son acumulados y escritos a un archivo de datos y salvados o sacados cuando la

medición es completada. Los valores en este archivo incluyen típicamente la dispersión de

las partículas y el medio también como alguna luz desviada de la óptica. Pueden también

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incluir ruido de la electrónica. Así, típicamente, son necesarias dos mediciones de

“calibración”. En la primera, algunas veces llamada medición corriente oscura, todas las

luces de iluminación son apagadas. Cualquier señal grabada entonces resultará puramente

de la electrónica. La siguiente, en la medición de fondo, las luces de iluminación son

encendidas pero la muestra no ha sido introducida todavía. La señal ahora recibida es la

suma del ruido electrónico más alguna dispersión del medio y alguna luz desviada. La

corriente oscura y de fondo en cada detector tiene que ser sustraída apropiadamente de la

señal obtenida de cada detector durante la medición de la muestra. Debido a la inevitable

inhomogeneidad entre las superficies del detector individual y los circuitos de

amplificación, la señal de cada detector tiene que ser escalada por alguna conversión de

conjunto o factor de amplificación para aquel detector, el cual es predeterminado y además

normalizado por el área del detector. Finalmente, un conjunto de flujo de dispersión f(,

sip) es obtenido y listo para el proceso de recuperación de tamaño.

Alineación del instrumento y validación.

Después de la alternación del encendido, el instrumento debe estar dando suficiente tiempo

para que la fuente luz se caliente (típicamente 0.5-2 hrs.) a fin de una intensidad de luz

estable pueda ser entregada. Este periodo también permite al instrumento alcanzar un

estado de equilibrio entre la temperatura ambiente y la temperatura interna de la banca

óptica. Si esto, con frecuencia la alineación tiene que ser realizada debido a algunos

cambios de temperatura en varias partes ópticas. Antes del análisis de muestra, el

instrumento debe estar en una condición limpia y bien cuidado, alineado y validado por

referencias o material de control. Si un cambio de lente o posición de lente es necesitado

para un rango de medición requerido, como es el caso en varios diseños de instrumentos,

más cuidadosamente alineados es necesario asegurarse que todas las partes ópticas están

correctamente posicionadas para lograr la precisión y exactitud especificadas.

Preparación de la muestra e introducción.

Ignorando las alteraciones teóricas que pueden originarse de la aplicación incorrecta del

índice de refracción y alguna divergencia de las partículas de las restricciones teóricas, en

mediciones realizadas por instrumentos comerciales estado de arte modernos, la mayor

fuente de errores sistemáticos es usualmente causada por inapropiada preparación de la

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muestra. Fuentes de inapropiada preparación de muestra incluye 1) muestreo incorrecto en

tal caso el espécimen carecerá de una buena representación estadística del material en

bulto; 2) dispersión incompleta de las partículas; y 3) communition partícula, disolución, o

evaporación. Estas posibles fuentes de error pueden ser evitadas a través del uso de un

procedimiento apropiado de preparación de muestra a fin de que una suspensión estable

pueda ser presentada para medición. La cantidad de muestra entregada al instrumento debe

ser controlada, usualmente vía la razón de obscuración o transmisión de luz. Muchos

instrumentos comerciales tienen un rango de obscuración especificada que producirá los

mejores resultados. Para dispersiones secas, desde que las partículas pasan a través del

volumen de dispersión solamente una vez, necesita estabilizarse un flujo de mas para ser

mantenido. Para dispersiones líquidas, evitando o removiendo burbujas de aire es uno de

los más pasos comúnmente pasados por alto en la obtención de un buen resultado.

Burbujas de aire en dispersión líquida.

Una de las fuentes de error experimental sutiles en mediciones de partículas sostenidas en

líquido es creada por burbujas de aire. Dado que las burbujas de aire tienen un índice de

refracción relativo grande en suspensión acuosa, dispersan luz tal como partículas sólidas.

Consecuentemente, serán dimensionadas y asimétricas la verdadera distribución de tamaño

de partícula. Si las burbujas de aire no son removidas completamente la medición de ellas

en muchos casos no afectará el resultado dado que su influencia puede ser compensada por

la medida de fondo antes de adicionar la muestra. Con frecuencia, cuando el tamaño de la

muestra no está en la misma región como las burbujas de aire, el usuario puede descartar el

pico de burbuja de aire. Sin embargo, si burbujas de aire están presentes durante la

medición del fondo a pesar de eso desaparecen sobre el curso de la medición de la muestra

debido a su escape durante la circulación o por otras razones, datos negativos pueden ser

creados en el patrón de flujo de la muestra.

La mayoría de las burbujas de aire disueltas tienen orden de tamaños de 60-200 m,

dependiendo del tamaño , cantidad y naturaleza de la muestra y también la fuente de agua.

Por ejemplo, burbujas de aire tienen un orden de tamaño de 40-5000 m en agua, pero de

8-1000 mm en medios altamente viscosos. En algunos casos, las burbujas de aire en

cantidades excesivas pueden ser visibles, especialmente si la presión de agua en las líneas

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de abasto es alta. Esto es debido a que el factor aquel de gas disuelto bajo presión alta será

liberado cuando la presión es reducida; sacando el aire a presión atmosférica. Uno puede

inspeccionar las cámaras de muestra con linterna o revisar el puerto de acceso de la muestra

o superficie del disolvente para burbujas. Burbujas de aire grandes pueden usualmente ser

removidas por circulación del líquido a través el módulo de muestra por unos cuantos

minutos a velocidades más bajas de la bomba o por sonido. En la Tabla 3.3 engloba las

fuentes más comunes de burbujas de gas (aire) y las formas para evitarlas.

Fuente de burbujas de gas Forma de evitar burbujas de gas

Gases disueltos (incremento en temperatura

y/o decremento en presión causa su salida

del agua)

Utilizar agua embotellada, filtrada

cuandoquiera que sea posible. Agua de llave

y desionizada han mostrado ser gaseosas, si

el agua embotellada y filtrada no es

disponible, permitir que el agua alcance

temperatura ambiente antes de la medición.

Excesivo surfactante, dispersante o residuos

de limpiadores

Reducir la cantidad de dispersante

cuandoquiera sea posible.

Viscosidad del medio Tomar cuidado extremo cuando maneje

medios viscosos(verter a lo largo del lado

del contenedor; pipetear lentamente, etc);

dejar el sistema por 1-2 horas (o toda la

noche) con la bomba apagada para permitir

que la burbujas suban a la superficie o se

disipen.

Huecos o aberturas en mangueras o

accesorios

Revisar mangueras, pliegues, y

desgarraduras y línea de accesorios de celdas

para estreches, sarro, o acumulación de

partículas

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Capítulo II Detalles Experimentales

A. Separación de Partículas

Se adquirieron muestras de esferas de sílice de diferentes tamaños las cuales tenían

especificado el diámetro. El tamaño no estaba certificado, por lo que se les sometió a un

tamizado en mallas de diferentes números. Las mallas disponibles y utilizadas separaron las

partículas en los siguientes rangos:

Partículas 44- 62 m (malla No. 325 ) Partículas 62.5-74 m (malla No. 250 ) Partículas 74- 105 m (malla No. 185 ) Partículas 105-? m (malla No. )

B. Determinación de Distribución de Tamaño de Partícula por un Equipo Comercial

El grado de detalle en la distribución de tamaño de partícula que la dispersión de luz provee

es mucho mayor del que se puede obtener por tamizado, y permite la realización de

estudios que serían imposibles a través de este último. Por lo que, para la determinación del

tamaño de partícula se empleó la técnica de dispersión de luz láser utilizando un

granulómetro comercial (CILAS 400). Esta técnica es usado con éxito en industrias tales

como la del cemento y aerosol, y más recientemente en la industria alimenticia. Un haz de

láser ilumina una región donde se encuentran las partículas suspendidas y un arreglo de

fotoceldas provee la dependencia angular de la luz dispersada. A través de un software el

patrón de dispersión es transformado en una distribución de tamaño de partícula los

cálculos son realizados utilizando la teoría de dispersión de Mie o alguna aproximación.

10 100 1000

Tamaño (m )

SiO502

SiO60

SiO60

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Capítulo III Resultados

A. Descripción del Equipo Desarrollado

A.1. Intentos Preliminares

En este capítulo se describe el equipo que se desarrolló para poder obtener resultados

experimentales. Dependiendo de las especificaciones o aplicaciones deseadas, hay

diferencias en cómo diseñar los mecanismos ópticos, electrónicos y el software utilizado en

el instrumento. En este caso, el objetivo es medir dispersión de luz angularmente, por lo

que de inicio se necesita una fuente de luz, un detector y una celda para la muestra.

La fuente de luz utilizada fue un láser de He-Ne con una longitud de onda de 632.8 nm y

una potencia de 50 mW, el rayo de luz de este tipo de láser es circular con simetría radial y

es colimado con divergencia pequeña (< 2 mrad). Un láser He-Ne produce una luz

monocromática estable y puede tener una vida esperada superior a 20,000 horas.

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El detector utilizado tiene las siguientes características:

El diseño de la celda de dispersión fue un difícil punto de resolver, debido a que se

probaron varios prototipos en acrílico de geometría cúbica. Uno de ellos se describe en la

Figura). La tapa de sellado cuenta con un sistema de carga y descarga de muestra, al cual se

le adapto una bomba de recirculación y un sistema de agitado magnético; en cuatro de sus

lados tiene unas ventanas de vidrio de aproximadamente 1.5 cm. * 1.5 cm. Las desventajas

que se encontraron en este prototipo fueron que la absorción de luz por el agua no permitió

realizar mediciones al frente ni al lado (0º y 90), siendo posible solamente metir a 180º. la

acumulación de muestra en las esquinas de la celda por lo que la solución no era

homogénea, las mediciones que se realizaron solamente eran a 90°, 180°, 270° por lo que

no se podía obtener información a ángulos más pequeños y además debido al volumen de

muestra que se estaba manejando, las distancias entre el detector y las partículas era

demasiado grande como para que se detectara la dispersión de las partículas.

Posteriormente se diseño otra celda en el mismo tipo de material, este prototipo fue

cilíndrico de diámetro aproximadamente a 3 cm., con entrada de muestra en la parte

superior y salida en la parte inferior, la muestra se hacia pasar a través de la celda con

ayuda de una bomba además de un magneto agitador dentro de la celda para mantener

homogeneidad de la solución, al igual que el primer prototipo consta de cuatro ventanas de

vidrio por una de las cuales se hizo incidir el rayo láser y por las otras se detecta la

dispersión a 90°, 180° y 270°, en está celda se tuvieron semejantes inconvenientes entre los

cuales están los siguientes: el sistema de recirculación y homogeneización de la muestra no

fue efectivo, la información de dispersión fue difícil de obtener y normalmente es muy baja

la señal de dispersión a ángulos de noventa grados. Además de que causaba dificultad el

poder alinear el detector y la fuente de luz.

A.2. Descripción de la Celda

La celda que finalmente se utilizó fue un tubo de vidrio de 2.4 cm de diámetro y de largo 20

cm, montado en una base circular de 30 cm de diámetro, la cual tiene un orificio central

apenas del diámetro del tubo para mantenerlo fijo y sobre esta un disco con las mismas

características que la base con la única diferencia que el orifico central es un poco más

grande lo cual le da libertad de giro, este disco lleva instalada una mesa x-y-z, a su vez esta

mesa tiene adaptado un sistema que sostiene al tubo en una posición vertical y así mismo

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un detector el cual lleva antepuesto láminas con pequeños orificios, que se describirán más

adelante debido a que son parte de la óptica utilizada para captar la luz dispersada. Este

equipo tiene muchas ventajas con respecto a los anteriores diseños debido a que se pueden

realizar lecturas desde 0° a 160°, además de la facilidad de alineación de todo el sistema, se

ocupan volúmenes pequeños de solución (60 ml) y la muestra se mantiene homogénea tan

solo por agitación magnética.

Para la adquisición de datos se le adapto al detector un pre-amplificador y este a su vez

llevando la señal captada a un amplificador lock.in, que a través de un programa

desarrollado en Qbasic se controlan las condiciones en que se llevan cabo las mediciones y

se pueden gravar los datos obtenidos en un disco flexible. Con este programa se le da

nombre al archivo de la medición que se esta llevando a cabo, se estipula el barrido angular

y con cuantos pasos de avance, la frecuencia con la que va a ser cortado el rayo de luz y el

número de promedios en el tiempo con el que van a ser gravados los datos de salida.

B. Resultados experimentales

B.1. Dependencia con la Concentración

Las siguientes graficas muestran la dispersión de luz por diferentes partículas en diferentes

concentraciones, se puede observar que la intensidad de dispersión aumenta conforme lo

hace la concentración así también se puede ver que partículas pequeñas dispersan más que

partículas más grandes esto es claro comparando la intensidad de dispersión a una

concentración de 0.01% para los diferentes tamaños de partícula.

mejor medición que con balanza de diezmilésimas mostrar figura

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0 10 20 30 40

0.0

0.1

0.2

0.3

Inte

nsi

dad

Ángulo (grados)

Partículas 44 m 0.01% 0.02% 0.03% 0.04% 0.05% 0.06% 0.07% 0.08% 0.09% 0.10%

Figure 3. ert4w5t t

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0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5

0 .0 0

0 .0 5

0 .1 0

0 .1 5

0 .2 0In

ten

sid

ad

Á n g u lo ( g r a d o s )

P a r t íc u la s 6 2 .5 m 0 .0 1 % 0 .0 2 % 0 .0 3 % 0 .0 4 % 0 .0 5 % 0 .0 6 % 0 .0 7 % 0 .0 8 % 0 .0 9 % 0 .1 0 %

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5

0 .0 0

0 .0 5

0 .1 0

0 .1 5

0 .2 0

0 .2 5

0 .3 0

0 .3 5

Inte

ns

ida

d

Á n g u lo ( g r a d o s )

P a r t í c u la s 7 4 m 0 .0 1 % 0 .0 2 % 0 .0 3 % 0 .0 4 % 0 .0 5 % 0 .0 6 % 0 .0 7 % 0 .0 8 % 0 .0 9 % 0 .1 0 %

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0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5

0 .0 0

0 .0 5

0 .1 0

0 .1 5

0 .2 0

Inte

ns

ida

d

Á n g u lo (g ra d o s )

P a r t íc u la s 1 0 5 m 0 .0 1 % 0 .0 2 % 0 .0 3 % 0 .0 4 % 0 .0 5 % 0 .0 6 % 0 .0 7 % 0 .0 8 % 0 .0 9 % 0 .1 0 %

B.2. Linealidad

B.3. Dependencia con el Tamaño

Para analizar estos resultados se utilizó la Teoría de Mie, la cual se describe en el siguiente

capítulo.

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Capítulo IV Teoría de Mie

A. Descripción General

Quizá el más importante problema que se resuelve exactamente en la teoría de absorción y

dispersión por pequeñas partículas es aquel para una esfera de radio e índice de refracción

arbitrario. Aunque la solución formal a este problema ha sido disponible por muchos años,

solamente desde el advenimiento de las computadoras digitales ha sido una manera practica

para un detallado cálculo. En 1908 Gustav Mie desarrolló la teoría en un esfuerzo por

entender la variedad de colores en la absorción y dispersión exhibida por pequeñas

partículas coloidales de oro suspendidas en agua. Cerca del mismo tiempo Peter Debye

consideró el problema de la presión de radiación ejercida sobre pequeñas partículas en el

espacio. El trabajo de Debye, el cual fue el tema de su disertación doctoral, es una de las

primeras aplicaciones de la teoría a un problema astrofísico. Ninguno de los dos Mie o

Debye fue el primero en construir una solución al problema de la esfera; sin embargo,

establecer quien fue el primero no es una tarea fácil, aunque Lorenz es un fuerte

contendiente para este honor. aceptaremos el término más común, la teoría de Mie.

Mientras que la matemática de la teoría de Mie es algo difícil pero directa, la física de la

interacción de una onda electromagnética con una esfera es extremadamente complicada.

Es un asunto relativamente fácil escribir la expansión en series infinitas de los campos

electromagnéticos a todos los puntos del espacio aún más fácil en estos días es producir

grandes cantidades de cálculos de salida de Mie. Sin embargo, una tarea más difícil, es

visualizar los campos, categorizar el significado de los modos electromagnéticos dentro y

fuera de la esfera, y adquirir algún sentido intuitivo de cómo una esfera de un tamaño dado

y propiedades ópticas absorbe y dispersa luz.

Por una parte, hay aquellos quienes se burlan del uso de la teoría de Mie para describir

algunas propiedades de partículas no esféricas, el tipo de partículas que probablemente

habitan la atmósfera planetaria y el medio interestelar; por otra parte, hay aquellos quienes

incuestionablemente utilizan la teoría de Mie para cualquier y cada aspecto de interacción

de luz con tales partículas. Ninguna de las dos actitudes esta bien esclarecida. La teoría de

Mie, aunque puede ser limitada, provee una descripción de primer orden de los efectos

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ópticos en partículas no esféricas, y describe correctamente muchos efectos que no son

intuitivamente obvios.

B. Expansión de una Onda Plana en Armónicos Esféricos

porqué

C. Solución a las ecuaciones de onda vectoriales

porqué

Un campo electromagnético armónico en un medio lineal, isotrópico, homogéneo satisface

las ecuaciones de onda:

1) ,0

,022

22

HkH

EkE

donde: k2 = , y serán de divergencia nula:

En suma, E y H no son independientes:

2) EiH

HiE

Se supone que, dado una función escalar y un vector constante arbitrario c, se construye

una función vectorial M:

3) .cM

La divergencia del rotacional de cualquier función vectorial desaparece:

Si nosotros utilizamos las identidades vectoriales

.0

,0

H

E

.0 M

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nosotros obtenemos

Por lo tanto, M satisface la ecuación de onda vectorial si es una solución a la ecuación de

onda escalar

podemos escribir M = -c × , lo cual muestra que M es perpendicular a c.

Construimos de M otra función vector

Con divergencia cero, la cual también satisface la ecuación de onda vectorial

Nosotros también tenemos

,

,

BAABABBABA

BAABABBABA

2222 kcMkM

.022 k

k

MN

.022 NkN

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Por lo tanto, M y N tienen todas las propiedades requeridas de un campo electromagnético:

ellos satisfacen la ecuación de onda vectorial, estas son la divergencia libre, el rotacional

de M es proporcional a N, y el rotacional de N es proporcional a M. De esa manera, el

problema de encontrar soluciones a las ecuaciones de campo reduce relativamente a un

problema de encontrar soluciones a la ecuación de onda escalar. llamaremos a la función

escalar una función generadora para los vectores armónicos M y N; el vector c es

llamado algunas veces el vector guía o piloto.

La selección de la función generadora es dictada por cualquier simetría que pueda existir

en el problema. Nosotros estamos interesados en la dispersión por una esfera; por lo tanto,

nosotros escogemos funciones que satisfagan la ecuación de onda en coordenadas polares

esféricas r, , (Fig. 1.1). La selección del vector piloto es algo menos obvio. Nosotros

podemos escoger algún vector arbitrario c. Sin embargo, si se toma

Donde r es el vector radio, entonces M es una solución a la ecuación de onda vectorial en

coordenadas polares esféricas. Por lo tanto, en problemas que involucran simetría esférica,

nosotros tomaremos M dada en (1) y la N asociada como nuestras soluciones

fundamentales a las ecuaciones de campo. Notar que M es en todas partes es tangencial

para cualquier esfera |r| = constante(por ejemplo, r·M = 0).

La ecuación de onda escalar en coordenadas polares esféricas es

.kMN

,rM

.0sin

1sin

sin

11 22

2

222

2

krrr

rrr

2

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Nosotros buscamos soluciones particulares a ( 2) de la forma

La cual cuando es sustituida en (2) produce las tres ecuaciones separadas:

Donde las constantes de separación m y n son determinadas por condiciones afiliadas que

debe satisfacer. Nosotros primero notamos que si, para una m dada, m es una solución a

(3), entonces -m no es una solución linealmente independiente. Las soluciones linealmente

independientes son

Donde los subíndices e y o denotan par e impar respectivamente. Nosotros requerimos de

que sea una función de valor único del ángulo azimutal

,,, rRr

,022

2

md

d

,011

2

2

sen

mnn

d

dsen

d

d

sen

01222

Rnnrkdr

dRr

dr

d

3

4

5

,

,cos

senm

m

o

e

2im

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para toda excepto, posiblemente, en un punto sobre la frontera entre regiones con

diferentes propiedades. Sin embargo, no necesitamos preocuparnos con tales puntos de

frontera; estamos solamente interesados en soluciones a la ecuación de onda escalar en

puntos interiores de regiones homogéneas. La condición (6) entonces requiere que m sea un

entero o cero; valores positivos de m son suficientes para generar todas las soluciones

independientes a (3).

Las soluciones a (4) que son finitas a = 0 y = son funciones asociadas de Legendre de

primer tipo Pnm(cos) de grado n y orden m, donde n = m, m + 1,... Estas funciones son

ortogonales:

donde = cos y n’n, la delta de Kronecker, es la unidad si n = n’ y cero en caso contrario.

Cuando m = 0 las funciones asociadas de Legendre son los polinomios de Legendre, los

cuales son denotados por Pn. Si nosotros introducimos la variable adimensional = kr y

definimos la función Z = R, (5) llega a ser

Las soluciones linealmente independientes para (8) son las funciones Bessel de primer tipo

y segundo tipo J y Y, donde el orden = n + 1/2 es integral media. Por lo tanto, las

soluciones linealmente independientes para (5) son las funciones esféricas Bessel

,

!

!

12

2'`'

´1

1 mn

mn

ndPP

nn

m

n

mn

7

02

12

2

Zn

d

dZ

d

d

8

,2

,2

2/1

2/1

nn

nn

Yy

Jj

10

9

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Donde el factor constante /2 se introduce por conveniencia. Las funciones Bessel

esféricas satisfacen las relaciones de recurrencia

Donde zn es cualquier jn o yn. De los dos primeros ordenes

funciones de más alto orden son generadas por recurrencia. Note que para todos los n

ordenes, yn(kr) llega a ser infinito cuando r se aproxima al origen. En Fig. 1.2 se muestra

jn(x) y yn(x)(n = 0,1,2,3) para valores reales de x, aunque las funciones Bessel esféricas no

son restringidas a argumentos reales.

Alguna combinación lineal de jn y yn es también una solución a (5). Podemos también

tomar como soluciones fundamentales para (5) a alguna de las dos combinaciones

linealmente independientes. Tales combinaciones merecen especial atención, las funciones

Bessel esféricas de tercer tipo (algunas veces llamadas funciones Hankel esféricas):

,112

,12

11

11

nnn

nnn

znnzzd

dn

zn

zz

12

11

,cos

,cos

,cos

,

210

210

senyy

senj

senj

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Se ha hecho suficiente trabajo para construir funciones generadoras que satisfacen la

ecuación de onda escalar en coordenadas polares esféricas:

Donde zn es alguna de las cuatro funciones Bessel esféricas jn, yn, hn

(1) o hn(2).

Además, porque de la unidad de las funciones cos m, sen m, Pnm(cos), zn(kr), alguna

función que satisfaga la ecuación de onda escalar en coordenadas polares esféricas puede

ser expandida como series infinitas en las funciones (15) y (16). Los vectores armónicos

esféricos generados por ψemn y ψomn son

.

,2

1

nnn

nnn

iyjh

iyjh

14

13

,cos

,coscos

krzPsenm

krzPm

nm

noemn

nm

nemn

16

15

,,

,,

k

MN

k

MN

rMrM

omnomn

emnemn

omnomnemnemn

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Los cuales, en forma de componentes pueden ser escritos

donde la componente r de Nmn ha sido simplificada utilizando el hecho de que Pnm satisface

(4). Cualquier solución a las ecuaciones de campo pueden ahora ser expandidas en series

infinitas de las funciones (17)-(20). Así, armados con los vectores armónicos, se esta listo

para atacar el problema de dispersión por una esfera arbitraria.

D. Expansión de una Onda Plana en Armónicos Esféricos.

La expansión de una onda plana en armónicos esféricos es un procedimiento largo, aunque

directo. El problema con el cual estamos involucrados es la dispersión de una onda plana

polarizada en x, escrita en coordenadas polares esféricas como

,1

sen

coscos

1cossencos1sen

,1

sen

cossen

1coscoscos1cos

,cos

sencoscossen

,cos

coscossensen

êzd

dPmm

êzd

d

d

dPmêPnnm

zN

êzd

dPmm

êzd

d

d

dPmêPnnm

zN

êzd

dPmêzPm

mM

êzd

dPmêzPm

mM

n

mn

n

mn

rm

nn

omn

n

mn

n

mn

rm

nn

emn

n

mn

nm

nomn

n

mn

nm

nemn

20

19

18

17

,cos0 x

ikri êeEE 21

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donde

para una esfera arbitraria. El primer paso a la solución de este problema es la expansión de

(21) en armónicos esféricos vectoriales:

Puesto que senm es ortogonal a cosm’ para toda m y m’ se entiende que Memn y Momn son

ortogonales en el sentido que

Similarmente, (Nomn, Nemn), (Momn, Nomn) y (Memn, Nemn) son un conjunto de funciones

mutuamente ortogonales. Las propiedades de ortogonalidad de cosm y senm significan

que todos los vectores armónicos de diferente orden m son mutuamente ortogonales.

Para probar que las funciones (Memn, Nomn) y (Nemn, Momn) son ortogonales, se debe mostrar

que la integral desaparece para toda n y n’.

La función asociada de Legendre Pnm esta relacionada a la m-esima derivada del

correspondiente polinomio de Legendre Pn,

êsenêêsenê rx coscoscos 22

.0

m mn

omnomnemnemnomnomnemnemni NANAMBMBE 23

.',,',02

0 0 ''

nnmmtodaddsenMM omnnem

0 0''

' mn

mn

mnm

n

mnm

n PPdd

dPP

d

dPPm )24(

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donde = cos, del cual se entiende que Pnm desaparece para = 0 y = excepto cuando

m = 0. Por lo tanto, (24) desaparece para toda m, n y n’. La demostración de las relaciones

de ortogonalidad permanece

donde n n’ y m 0, requiere mostrar que

Porque ambos Pnm y Pn’’

m satisfacen (4), tenemos después una pequeña manipulación

de la cual, junto con las relaciones de ortogonalidad para los Pnm, (26) sigue fácilmente.

Cuando m = 0, Nomn y Momn desaparecen; la ortogonalidad del Memn y el Nemn cuando m = 0

también sigue de (26) y (27).

,1

22m

nm

mmn d

PdP

25

,0

,0

2

0 0 '

2

0 0 '

2

0 0 '

2

0 0 '

ddsenNNddsenNN

ddsenMMddsenMM

omnomnemnemn

omnomnemnemn

.00 2

'2'

dsensen

PPm

d

dP

d

dP mn

mn

mn

mn 26

,

1''12

''

'2'2'

mn

mnm

n

mn

mn

mn

mn

mn

mn

mn

Pd

dPsenP

d

dPsen

d

d

senPPnnnnsen

PPm

d

dP

d

dPsen

27

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La ortogonalidad de todos los vectores armónicos esféricos, la cual fue establecida en la

sección precedente, implica que los coeficientes en la expansión (23) son de la forma

con similares expresiones para Bomn, Aemn y Aomn. Sigue de (17), (20), y (22), junto con la

ortogonalidad del seno y el coseno, que Bemn = Aonm = 0 para toda m y n. Además los

coeficientes permanecen desapareciendo a menos que m = 1 por la misma razón. El campo

incidente es finito en el origen, el cual requiere que jn (kr) sea la función esférica Bessel

apropiada en las funciones generadoras ψo1n y ψe1n; desechamos yn porque tiene un mal

comportamiento al origen. Se anexa el superíndice (1) al vector armónico esférico para el

cual la dependencia radial de las funciones generadoras es especificada por jn.

Así, la expansión para Ei tiene la forma

La integral en el denominador de la expresión para Bo1n puede ser fácilmente evaluada de

(27); el numerador, sin embargo, contiene la integral

De (25) se tiene

,2

0 0

2

2

0 0

ddsenM

ddsenMEB

emn

emni

emn

1

111

111

nnenenonoi NAMBE 28

0

cos1 .dePsend

d in

29

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donde los polinomios de Legendre de grado n satisfacen (4):

Así, (29) es proporcional a

El paso final es la generalización de Gegenbauer de la integral de Poisson:

En consecuencia se llega a las expansiones de coeficientes

,1

d

dPP n

n 30

.sen1sen

n

n Pnnd

dP

d

d

31

0

cos .sen dPe ni

0

cos sen2

dei

j in

n

32

.1

1201

nn

nEiB n

no 33

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Las expansiones de coeficientes Aemn son algo menos tratables. Por ejemplo al enfrentarse

con la integral

la cual puede ser integrada por partes dando

donde se ha usado también (30), (31), y (32).

La integral más escabrosa de esta parte, sin embargo, es

la cual puede ser planeada primero multiplicando (32) por y entonces diferenciando la

expresión resultante con respecto a . Después un poco de buen álgebra se obtiene

para (35). Las expansiones de coeficientes entonces siguen directamente:

0

cos1 ,sensen deP in

34

,

12

i

ijnn nn

,sensen

cos cos

0

11

de

P

d

dP inn

35

n

n

jd

d

i

inn

12

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La expansión deseada de una onda plana en armónicos esféricos

no fue conseguida sin dificultades. Esto es indudablemente el resultado de la indisposición

de la onda plana que viste una apariencia en la cual se considera incómoda; expandiendo

una onda plana en funciones de onda esféricas es algo como tratar forzar un cuadrado

dentro de un hueco redondo. Sin embargo, si se ha seguido cuidadosamente la derivación

de (37), y así adquirido virtud a través del sufrimiento, puede obtener como resultado algo

de comodidad del conocimiento que este es relativamente claro navegar de aquí en

adelante.

E. Los campos interno y dispersado

porqué

Suponer que una onda plana polarizada en x incide sobre una esfera homogénea e

isotrópica de radio a (fig). Como se ha mostrado en secciones precedentes, el campo

eléctrico incidente puede ser expandido en unas series infinitas de vectores armónicos

esféricos. El correspondiente campo incidente es obtenido del rotacional de (37):

.1

1201

nn

niiEA n

ne 36

1

11

110 1

12

nneno

ni iNM

nn

niEE 37

.

1

12

1

11

110

n

nonen

i iNMnn

niE

kH

38

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Se puede también expandir en vectores armónicos esféricos el campo electromagnético

dispersado(Es, Hs) y el campo (E1, H1) dentro de la esfera. A La frontera entre la esfera y el

medio circundante se le imponen las condiciones (3.7):

Las condiciones de frontera (39), la ortogonalidad de los vectores armónicos, y la forma de

la expansión del campo incidente dicta la forma de las expansiones para el campo

dispersado y el campo dentro de la esfera: los coeficientes en estas expansiones

desaparecen para toda m 1. La finitud al origen requiere que se toma jn(k1r), donde k1 es

el número de onda en la esfera, como las apropiadas funciones esféricas Bessel en las

funciones generadoras para los vectores armónicos dentro de la esfera. Así, la expansión

del campo (E1, H1) es

donde En = in E0(2n + 1) / n(n + 1) y 1 es la permeabilidad de la esfera.

En la región fuera de la esfera jn y yn son bien portadas; por lo tanto, la expansión del

campo dispersado envuelve ambas de estas funciones. Sin embargo, esto es conveniente si

ahora se intercambia nuestra lealtad a las funciones esféricas Hankel hn(1) y hn

(2). Se puede

mostrar que solamente una de estas funciones es requerida teniendo en cuenta las

expansiones asintóticas de las funciones Hankel de orden para valores grandes de

011 rsirsi êHHHêEEE 39

,

,

1

11

11

1

11

1

11

111

nnonnenn

nnennonn

NicMdEk

H

NidMcEE

40

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donde (, m) = ( + m + 1/2)/m! (- m + 1/2) y es la función gamma; (n + 1) = n! si

n es un entero no negativo. Sigue de (41) que las funciones esféricas Hankel son

asintóticamente dadas por

La primera de estas expresiones asintóticas corresponde a una onda esférica saliente; la

segunda corresponde a una onda esférica entrante. Si el campo dispersado está a distancias

grandes de la partícula será una onda saliente, entonces solamente hn(1) debe ser utilizada en

las funciones generadoras. Cuando se considera el campo dispersado a distancias grandes

también se necesitará la expresión asintótica para la derivada de hn(1); sigue de la identidad

y ( 42) que

,2

,2

,2

,12

0

422

0

421

mm

i

mm

mi

i

meH

i

meH

41

.

,

2

2

1

ikr

eikrh

nkr

ikr

eikrh

ikrn

n

ikrn

n

43

42

12

1 11

n

znnzz

d

d nnn

.21

nei

d

dh inn

44

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La expansión del campo dispersado es por lo tanto

donde se agrega el superíndice (3) a los vectores armónicos esféricos para los cuales la

dependencia radial de la generación de funciones es especificada por hn(1).

F. Funciones dependientes del ángulo. casi todo está hecho, pero aún es necesario hacer lo siguiente porque ...

Es conveniente ahora definir las funciones

Las funciones dependientes del ángulo n y n aparecen para plantear problemas

computacionales no particulares y pueden se calculados por recurrencia ascendente de las

relaciones

,

,

1

31

31

1

31

31

nnennonns

nnonnenns

MaNibEk

H

MbNiaEE

45

.,11

d

dP

sin

P nn

nn 46

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donde = cos, comenzando con 0 = 0 y 1 = 1; n y n son alternativamente funciones

par e impar de :

Aunque ninguna de las dos n y n son mutuamente ortogonales ni tampoco ortogonales una

con otra, se obtiene de (26) y (24) que n + n, así como también n - n, son conjuntos

ortogonales de funciones:

Se pueden ahora escribir los vectores armónicos esféricos (17)-(20) (con m = 1) en las

expansiones de campo interno (40) y campo dispersado(45) en una forma más concisa:

,1

,11

12

1

21

nnn

nnn

nnn

n

n

n

47

.1,1 1 nn

nnn

n 48

.

0sensen00

nm

dd mmnnmmnn

49

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Los superíndices serán anexados a las funciones M y N para denotar el tipo de función

esférica Bessel zn: (1) denota jn(k1r) y (3) denota hn(1)(kr). Como fue notado previamente, M

no tiene componente radial, y para kr suficientemente grande la componente radial de N

para el campo dispersado es despreciable comparado con la componente transversal.

Se ha mostrado en Fig. 1.2 como se comportan las funciones jn y yn, y las funciones sen,

cos son bien conocidas. Así, esto solo permanece para mostrar el comportamiento de las

funciones n y n, las cuales determinan la dependencia de de los campos. Las gráficas

polares de n y n para n = 1-5 son mostradas en la Fig. 1.3; estas gráficas son más

agradables a la vista si se permite a un rango de 0 a 360°. Notar que estas funciones

(excepto 1, la cual es constante) toman ambos valores positivo y negativo; por ejemplo, 2

es positivo de 0 a 45°, negativo de 45° a 135°, y positivo de 135° a 180°. Como n

incrementa, el número de lóbulos incrementa, con el resultado que el lóbulo dirigido hacia

adelante llega a ser más estrecho(por ejemplo, el primer cero ocurre a ángulos más

pequeños). La ausencia de un lóbulo hacia atrás en las gráficas polares de n y n indica

que son negativas para direcciones hacia atrás; por ejemplo 3 es negativo para entre 149

y 180°. Todas las funciones tienen lóbulos dirigidos hacia delante(por ejemplo, son

positivo en dirección adelante), pero los lóbulos hacia atrás desaparecen para valores

alternados de n. Como se vera, la esfera la más grande, las funciones de más alto orden n y

,

'cossen

'coscoscossen1cos

,'

coscos

'cossencossen1sen

,coscoscossen

,cossencoscos

1

1

1

1

êz

êz

êz

nnN

êz

êz

êz

nnN

êzêzM

êzêzM

nn

nnr

nnne

nn

nnr

nnno

nnnnne

nnnnno

50

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n son incorporadas en el diagrama de dispersión. Puesto que del comportamiento de estas

funciones, por lo tanto, la esfera la más grande, las direcciones de dispersión hacia delante

son pesadas comparadas con direcciones de retrodispersión (valores alternados de n o n

tienden a cancelarse en direcciones de retrodispersión), y el más estrecho el pico dispersado

adelante.

G. Coeficientes de dispersión. cálculos específicos

Se ha llegado al punto donde es difícil adquirir la comprensión de la dispersión y absorción

por una esfera sin algún ejemplo numérico. Lo que se requiere ahora es darle algo de

cuerpo para cubrir el esqueleto de la teoría formal; es importante saber como varias

cantidades observables varían con el tamaño y las propiedades ópticas de la esfera y la

naturaleza del medio circundante. Para hacerlo así el primer paso es obtener expresiones

explícitas para los coeficientes de dispersión an y bn.

Para una n dada hay cuatro coeficientes desconocidos an, bn, cn y dn; así que se necesitan

cuatro ecuaciones independientes, las cuales son obtenidas de las condiciones de frontera

(39) en forma de componentes:

De la ortogonalidad de sen y cos, las relaciones (49), y las condiciones de frontera

citadas, junto con las expansiones (37), (38) (40) (45), y las expresiones (50) para los

vectores armónicos, se obtendrá eventualmente cuatro ecuaciones lineales en los

coeficientes expandidos:

,,

.

,,

11

11

HHHHHH

ar

EEEEEE

sisi

sisi

,'''

,

,'''

,

1

11

1

11

1

1

xxjmaxxhmdmxmxj

xjaxhdmxmj

xxjbxxhcmxmxj

xjbxhcmxj

nnnnn

nnnnn

nnnnn

nnnnn

51

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donde el primo indica diferenciación con respecto al argumento en paréntesis y el

parámetro de tamaño x y el índice de refracción relativo son

N1 y N son los índices de refracción de la partícula y el medio, respectivamente. Las cuatro

ecuaciones lineales simultaneas son fácilmente resueltas para los coeficientes del campo

dentro de la partícula

Y los coeficientes de dispersión

Note que los denominadores de cn y bn son idénticos como lo son aquellos de an y dn. Si

para una n particular la frecuencia (o radio) es tal que uno de estos denominadores es muy

pequeño, el modo normal correspondiente dominara el campo dispersado. El modo an es

dominante sí la condición

.,2 11

N

N

k

km

Nakax

,

''

''

,''

''

1121

11

11

111

11

11

mxmxjxhxxhmxjm

xxjxmhxxhxmjd

mxmxjxhxxhmxj

xxjxhxxhxjc

nnnn

nnnnn

nnnn

nnnnn

52

,

''

''

,''

''

111

1

11

121

2

mxmxjxhxxhmxj

mxmxjxjxxjmxjb

mxmxjxhxxhmxjm

mxmxjxjxxjmxjma

nnnn

nnnnn

nnnn

nnnnn

53

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es satisfecha aproximadamente; similarmente, el modo bn es dominante sí

es satisfecha aproximadamente. En general, por supuesto el campo dispersado es una

superposición de modos normales.

Las frecuencias para las cuales (54) y (55) son exactamente satisfechas, las llamadas

frecuencias naturales de la esfera, son complejas, y los modos asociados son algunas veces

virtuales. Si la parte imaginaria de estas frecuencias complejas son pequeñas comparadas

con las partes reales, el último corresponde aproximadamente a las frecuencias reales de las

ondas electromagnéticas incidentes las cuales excitan varios modos electromagnéticos.

Los coeficientes de dispersión (53) pueden ser simplificados un poco por la introducción de

las funciones Riccati-Bessel:

Si se toma la permeabilidad de la partícula y el medio circundante sean la misma, entonces

,

''2

11

1

mxjm

mxmxj

xh

xxh

n

n

n

n

54

mxj

mxmxj

xh

xxh

n

n

n

n

11

1 ''

55

., 1 nnnn hj

57

56

mxxmxmx

mxxmxmxb

mxxxmxm

mxxxmxma

nnnn

nnnnn

nnnn

nnnnn

'

'

'

'

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Notar que an y bn desaparece conforme m se aproxima a la unidad; esto debe ser: cuando la

partícula desaparece, así se hace el campo dispersado. Hasta donde es involucrada la

notación para los coeficientes de dispersión, se ha seguido tanto como es posible a Van de

Hulst (1957) y Kerker (1969), con la excepción de la convención del signo opuesto para el

factor de tiempo armónico exp(-it).

H. Secciones transversales y elementos de la matriz.

Aunque en la precedente sección se ha considerado solamente dispersión de luz polarizada

en x, el campo dispersado para luz incidente lineal polarizada arbitrariamente y por lo tanto

cualquier estado de polarización, sigue de la simetría de la partícula. Por ejemplo, los

campos eléctricos dispersados para ondas incidentes planas de igual amplitud polarizada en

x y polarizada en y son relacionadas por

Así, se tiene en mano los coeficientes de dispersión an y bn, se pueden determinar todas las

cantidades mensurables asociadas con la dispersión y absorción, tales como secciones

transversales y elementos de la matriz de dispersión.

I. Secciones Transversales.

Se pueden obtener secciones transversales para una esfera por apelación a las expresiones

para una partícula arbitraria que fue deducida en la sección 3.4 por estimación de la razón

de red Wa a la cual la energía electromagnética cruza la superficie de una esfera imaginaria

centrada en la partícula. Si el medio circundante es no absorbente, Wa es independiente del

radio de esta esfera imaginaria, la cual por conveniencia se escogió lo suficientemente

grande que la aproximación de campo lejano para un campo electromagnético puede ser

ypolarizadaExpolarizadaE ss ;

2;

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usado. Sin embargo, es posible deducir expresiones para las secciones transversales de una

partícula esférica exactamente, algo que parece haber sido omitido por autores anteriores.

Por lo tanto, parece importante proporcionar tal derivación. Así hecho, se mostrará algo de

propiedades matemáticas de las funciones Bessel esféricas; también se puede adquirir un

poco más de confianza en el teorema óptico.

Como antes, se escribió Wa como Wext- Ws, donde

y el radio r a de la esfera imaginaria es arbitrario. Se sabe que Wext y Ws son

independientes del estado de polarización de la luz incidente. Por lo tanto, en la evaluación

de las integrales (58) puede tomarse la luz incidente sea polarizada en x:

donde = kr. El correspondiente campo dispersado es

58,sen2

1

,sen2

1

22

0 0

**

2

0 0

2****

ddrHEHEW

ddrHEHEHEHEW

sssss

isissisiext

,cot,sen

,,cos

1

'

1

'

iin

nnnnni

iin

nnnnni

Ek

HiEE

Etank

HiEE

.cos

,sen

,sen

,cos

1

'

1

'

1

'

1

'

nnnnnnnns

nnnnnnnns

nnnnnnnns

nnnnnnnns

aibEH

aibEk

H

iabEE

biaEE

59

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Si se asume que las expansiones en series (59) pueden ser sustituidas en la integral para Ws

y el producto resultante de las series integradas término por término, se obtiene:

donde se ha usado (24) y la relación

la cual se obtiene de (27). La cantidad gn, definida como –in*n, puede ser escrito de la

forma

donde la función Riccati-Bessel n es –yn() y , por lo tanto, n - in.

Las funciones n y n son reales para argumento real; por lo tanto, si se usa el Wronskiano

Resulta que la sección transversal de dispersión es

1

222

0 ,12n

nnns bagnk

EW

,

12

12sen

22

0

n

nnd nmmnmn

,'*'*'*'*nnnnnnnnn ig

,1'' nnnn 60

.122

1

22

2

n

nni

ssca ban

kI

WC

61

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Similarmente, la sección transversal de extinción es

donde, como en la derivación de la sección transversal de dispersión, el paso clave es la

relación (60)

J. Ejemplos de Extinción: interferencia y estructura de onda; enrojecimiento.

Para un breve vistazo a la extinción se ha escogido gotas de agua en aire; las curvas de

extinción calculadas para tres diferentes radios son mostradas en la Fig. 1.4, donde la

eficiencia de extinción Qext = Cext/a2 es graficada como una función del inverso de la

longitud de onda 1/. Este es un método poco convencional de representar la extinción

puede causar alguna confusión, particularmente cuando es notado que en las curvas en la

Fig. 1.4 muestra marcadas desviaciones de aquellas más comúnmente encontradas; las

eficiencias de extinción son usualmente mostradas como funciones de x para un índice de

refracción fijo m, una práctica aceptada por tradición. Aunque el método tradicional de

representación de la extinción no es necesariamente incorrecto, este es frecuentemente

falso: x y m son variables matemáticamente independientes pero pueden no ser físicamente

independientes. Este factor elemental es frecuentemente perdido de vista de cuando x es

considerado ser meramente una variable adimensional que es indiferente a tantos cambios

puesto que varían longitud de onda o radio. Dado que si la longitud de onda varía, así m

puede: una sustancia material no tener constantes ópticas independientes de la longitud de

onda excepto sobre un rango estrecho. Infortunadamente, en algunas áreas para las cuales la

teoría de dispersión de luz ha sido aplicada, toda la realización de esta ha aclarado

solamente poco a poco; el resultado ha sido basado en conclusiones falsas deficientes de

razonamiento. La razón para el método tradicional de representación de la extinción se

1

2,12

2

nnn

i

extext ban

kI

WC

62

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hace por conveniencia que por fidelidad a la realidad física: esto es relativamente fácil para

calcular Qext como una función de x para m fija. Las curvas mostradas en la Fig. 1.4, sin

embargo, requieren considerablemente más esfuerzo del que es usual: para cada una de las

muchas longitudes de onda para las cuales los cálculos son hechos, las propiedades ópticas

correctas pueden ser utilizadas. El esfuerzo requerido para calcular Qext de por sí es

grandemente sombreado por esa demanda de compilación de constantes ópticas de muchas

fuentes y conveniente interpolación entre datos de puntos medidos. La recompensa para

este esfuerzo, sin embargo, es una más precisa representación físicamente de la extinción.

En la región donde el agua es débilmente absorbente (entre cerca de 0.5 y 5 m-1) la curva

de extinción para una gota de 1 m tiene varios aspectos: (1) unas series de espaciado

ancho regularmente máxima y mínima llamada estructura de interferencia, la cual oscila

aproximadamente cerca del valor de 2; (2) estructura fina irregular llamada estructura de

onda; y (3) incremento monótonamente de la extinción con decremento de la longitud de

onda para a < . Se considerara brevemente cada caso de estos en turno.

Para x(>> n2) y mx grande el numerador de an es aproximadamente

Para el mismo grado de aproximación el numerador de bn es

Para obtener (63) y (64) de (56) y (57) se uso la relación asintótica

.

1sen2/cos2/sen1

x

mxmnmxnxm 63

mx

mxmnmxnxm 1sen2/cos2/sen1 64

.2sen 2nnn 65

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Notar que el numerador de ambos an y bn contiene el término común senx(m - 1), el cual

es independiente de n; así, se anticipa que la sección transversal de extinción máxima será

aproximadamente determinada por la máxima de esta función, la cual ocurre para x(m - 1)

= (2 p + 1)/2, donde p es un entero. Por lo tanto, la separación (1/) entre la máxima de

senx(m - 1), sobre una región de longitud de onda para la cual m es aproximadamente

constante y real, es ½ a(m - 1). Para agua en o longitudes de onda del visible cercano, m

puede ser tomado para estar cerca de 1.33; así, se anticipa la sección transversal máxima

para una gota de 1.0 m de radio esta separada cerca de 1.5 m-1. Que esto es

efectivamente así es apreciable en la fig. El origen del término estructura de interferencia

aplicado a estos picos anchos de extinción descansa en la interpretación de extinción como

interferencia entre la luz incidente y dispersada hacia adelante. Si se adopta el punto de

vista de óptica elemental, la diferencia de fase entre un rayo que atraviesa a una esfera

grande transparente sin desviación(el dispersado hacia delante o rayo central) y un rayo que

atraviesa el mismo camino físico fuera de la esfera es

La condición para la interferencia destructiva entre estos dos rayos es = (2p + 1) o,

equivalentemente, x(m - 1) = (2p + 1)/2, la cual es la misma condición como aquella

obtenida por examinación de los numeradores de an y bn.

Se pospondrá la discusión detallada de la estructura de onda, la cual es considerablemente

más complicada que la estructura de interferencia tanto física como matemáticamente.

Suficiente decir que la estructura de onda tiene sus orígenes en las raíces de las ecuaciones

transcendentales (54) y (55), las condiciones bajo las cuales los denominadores de los

coeficientes de dispersión desaparecen. Ambas la estructura de interferencia y la estructura

de onda son fuertemente amortiguadas cuando la absorción llega a ser grande, como esto

.1222

1 mxNNa

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hace en agua si 1/es más grande que cerca de 6m-1; esto es análogo a la amortiguación

de las bandas de interferencia en el espectro de transmisión de un bloque. Si la gota es

pequeña comparada con la longitud de onda, entonces los picos en el espectro de absorción

del bulto son vistos en el espectro de extinción de la partícula; por ejemplo, los picos de

extinción en la fig. cerca de 6 m-1 para una gota de radio 0.05 m y cerca de 0.3 m-1

para una gota de 1m ninguno de los dos son estructura de interferencia u onda pero picos

de absorción del bulto. Esto ilustra el factor que la absorción domina sobre la dispersión

para pequeñas a/ si hay alguna absorción apreciable del bulto.

Un fenómeno familiar es el enrojecimiento de luz blanca al pasar a través de una colección

de partículas muy pequeñas. Esto puede ser demostrado fácilmente poniendo unas cuantas

gotas de leche dentro de un contenedor de agua pura: un rayo colimado de luz blanca toma

un tinte rojizo después de transmitir a través de esta suspensión porque la luz azul de

longitud de onda más corta es extinguida más efectivamente que la luz roja de longitud de

onda más largas. El crecimiento de la extinción hacia longitudes de onda más cortas es una

característica general de partículas no absorbentes pequeñas comparadas con la longitud de

onda; esto es presentado en las curvas de extinción en fig para las dos partículas más

pequeñas. Todo mundo esta familiarizado con tales efectos a través de los bellos tonos rojo

y naranja de las puestas de sol en los cielos, las cuales son en parte el resultado de la

dispersión molecular. Las partículas pequeñas pueden incrementar el enrojecimiento de las

puestas de sol. En los periodos de fuerte actividad volcánica ha sido sabido el incremento

bellos colores en las puestas de sol por más de un año porque de partículas en la atmósfera;

altos niveles de polución de aire por partículas tiende a incrementar el enrojecimiento en las

puestas de sol. El enrojecimiento debido a la extinción por pequeñas partículas no es

ciertamente limitado al ambiente terrestre. Partículas de polvo entre las estrellas extinguen

más eficientemente luz azul que luz roja; la luz de las estrellas es transmitida a través de

este polvo, por lo tanto, es enrojecido. Este efecto es así confiable y uniforme cuando

promediado sobre miles de años luz que esto puede ser usado para medir distancias a las

estrellas en nuestra galaxia. Una estrella altamente enrojecida como se dice en jerga, es una

que tiene una cantidad muy grande de polvo interestelar entre esta y el observador. Esto es

obvio de la fig que la extinción es muy dependiente del tamaño; por esta razón, la extinción

ha sido ocasionalmente utilizada para medir partículas. De hecho, esta dependencia del

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tamaño provee una mejor evidencia que los granos de polvo interestelar son

predominantemente submicrométricos. En el laboratorio, sin embargo, otros tipos de

medidas, tales como dispersión angular, son preferibles usualmente para medir partículas.

El enrojecimiento ocurre por colección de partículas no obstante su distribución de tamaño

a condición de que ellas sean pequeñas comparadas con la longitud de onda. El efecto

espectral opuesto , el azulamiento, puede ser visto en el lado de altas frecuencias de los

picos de extinción en fig. Tal azulamiento es altamente dependiente en la distribución de

tamaño y tiende a desaparecer, como hacer las otras características de estructura de

interferencia, como la dispersión del incremento del radio de partícula. Así el azulamiento

de la luz solar por partículas en la atmósfera es muy raro aunque sin precedente: esto pasa

“una vez en una luna azul”. Esto dicho evidentemente proviene del hecho que esto ha sido

unas cuantas veces recordado en la historia cuando el sol y la luna se observaron azules, tal

como después erupciones gigantes del volcán Krakatoa y siguiendo incendios en grandes

bosques en Canadá. De acuerdo con la explicación convencional, las condiciones

necesarias para esta extinción anómala, la cual incluye un rango estrecho de tamaños de

partícula, son raramente encontrados.

K. La Paradoja de Extinción; Teoría de Difracción Escalar.

Se noto en la precedente sección que Qext aparece aproximándose al valor limite de 2

conforme el parámetro de tamaño incrementa:

,2,

mxQlim extx

El cual es dos veces tan grande como lo predicho por la óptica geométrica. Aun la óptica

geométrica es considerada una buena aproximación si todas las dimensiones son mucho

más grandes que la longitud de onda. Además, Qext = 2 contradice el “sentido común”: no

se espera un objeto tan grande para remover dos veces la energía que está incidiendo sobre

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esta. Esto quizá molesto resultado es llamado la paradoja de extinción, la cual se tratará de

resolver en los siguientes párrafos.

Aunque la óptica geométrica es una buena aproximación a la teoría de onda exacta para

objetos grandes, no importa cuan grande es un objeto este aún tiene un borde en el

vecindario del cual la óptica geométrica fracasa para ser valida. Por lo tanto, se analizará la

extinción por una esfera grande de radio a utilizando una combinación de óptica geométrica

y teoría de difracción escalar.

El problema fundamental en la teoría de difracción escalar es determinar el valor de una

onda escalar en un punto P dado el valor de y sobre una superficie cerrada S

alrededor de P. Un tratamiento conciso y lúcido de esta teoría está dado por

Wangsness(1963), quien muestra que

,ˆ4

1dAn

R

e

R

eP

S

ikRikR

Donde R es la distancia de P a un punto en S y n es la normal dirigida hacia fuera. La

ecuación (4.66) no es restringida a ondas electromagnéticas pero aplica igualmente bien

para cualquier cantidad escalar que satisface la ecuación de onda 2 + k2 = 0.

Una cantidad de energía Iia2 es removida de un rayo con irradiación Ii como resultado de

una reflexión, refracción y absorción de los rayos que están incidiendo sobre la esfera; esto

es, cada rayo es absorbido o cambia su dirección y es por lo tanto contado como si hubiese

sido removido del rayo incidente. Un disco opaco de radio a también remueve una cantidad

de energía Iia2, y al alcance que la teoría de difracción escalar es valida, una esfera y un

disco opaco tienen el mismo patrón de difracción. Por lo tanto, para propósitos de este

análisis , se puede reemplazar la esfera por un disco opaco.

Aunque se estará interesado primariamente en la difracción por un disco circular opaco,

ninguna labor extra es ocasionada si la forma del obstáculo plano no esta restringido en

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este armazón del argumento(Fig. 1.5a). Es más conveniente considerar la difracción por

una abertura plana, con la misma forma y dimensiones que el obstáculo, en otra manera una

pantalla opaca(Fig. 1.5b) Si (P) es el valor de la función de onda en P cuando la abertura

está en lugar, se puede recurrir al principio de Babinet,

,0 PPP

Para obtener la función de onda cuando el obstáculo está en lugar, donde 0 es la función

de onda no impedida (incidente), la cual se toma para ser una onda plana E0exp (ikz).

Para evaluar la integral en (4.66) se necesita saber y su gradiente sobre la superficie S. Es

físicamente plausible asumir que la contribución para (P) solamente viene de la abertura

A, sobre la cual puede ser aproximada por la función de onda incidente 0. Con esta

asunción (4.66) llega a ser

,ˆˆ14

0 dAeeR

eikEP

A zR

ikR

donde se ha tomado también kR » 1; esto es, que el punto P está a una distancia grande de

la abertura comparada con la longitud de onda. El vector unitario êR esta dirigido a lo largo

de una línea desde P a un punto sobre la abertura con coordenadas (ξ,η), y la distancia R es

.22 222 yxrR

Si las dimensiones lineales de la abertura son pequeñas comparadas con r, se puede

expandir (4.69) en potencias de ξ/r y η/r; resulta la difracción de Fraunhofer si se termina

esta expansión en términos lineales

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.cos14

,

,,

sencossen2

0

ddek

S

Sikr

eEP

ik

ikr

Por lo tanto, con el obstáculo en lugar, se tiene de (4.67) y (4.70),

.,00 Sikr

eEeEP

ikrikz

El primer término en (4.71) es precisamente la onda incidente; el segundo término es la

onda dispersada (difractada) por el obstáculo. El teorema óptico para ondas escalares es

realmente idéntico a aquel para ondas vectoriales(3.24); así, la sección transversal de

extinción es

,20Re4

2GS

kCext

Donde G es el área del obstáculo. Por lo tanto, la sección transversal de extinción del

obstáculo es dos veces su sección transversal geométrica: toda la energía incidente sobre el

obstáculo opaco, una cantidad igual a IiG, es absorbida; en suma, una cantidad igual de

energía Ws = IiCsca, donde

,sen

,2

0 0 2

2

Gddk

SCsca

es dispersada (difractada) por el obstáculo. Rigurosamente hablando, se puede decir que la

onda incidente esta influenciada más allá de las fronteras físicas del obstáculo: el borde

desvía rayos en su vecindario, rayos que, desde el punto de vista de la óptica geométrica,

habrían pasado sin impedimento. Estos rayos, indiferentes de cuán pequeño el ángulo a

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través del cual ellos son desviados, son contados como habiendo sido removidos del rayo

incidente y por lo tanto contribuyen a la extinción total. Para la extensión a fin de

reemplazar una partícula mucho más grande que la longitud de onda por un obstáculo plano

opaco con la misma área proyectada es una aproximación válida, la misma interpretación

aclara porqué la sección transversal de extinción de cualquier partícula es dos veces su

sección transversal geométrica.

Se tiene todavía que explicar porqué Cext = 2G no está necesariamente observado. Para

hacerlo ayudará si se considera un ejemplo especifico. La amplitud de dispersión para un

disco circular es independiente del ángulo azimutal :

a

ik ddek

S .cos14

sen2

Se puede evaluar la integral en (4.73) por transformación a coordenadas polares planas y

utilizando la representación integral de la función Bessel J0,

0

cos0

1dezJ iz

Junto con la identidad d(zJ1)/dz = zJ0; el resultado es

.

sen

sen

2

cos1 12

x

xJxS

El parámetro de tamaño es muy grande y J1(xsen)/xsenes insignificantemente pequeño

para xsen mucho más grande que cerca de 10; por lo tanto, el factor (1 + cos)/2 es unidad

a una muy buena aproximación sobre la región angular de interés. En la Fig. 1.6 se muestra

el diagrama de dispersión normalizado a la dirección hacia delante como una función de

xsen. Notar que casi toda la luz dispersada es confinada dentro de un cono de mitad de

ángulo 10/x. Si un detector está grabando la extinción total por un objeto esférico

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grande, su ángulo de aceptación debe ser mucho menos que este, es decir acc < 1/2x. Así en

alguna medida de extinción por partículas mucho más grandes que la longitud de onda, el

posible efecto de un instrumento geométrico será considerado cuidadosamente. Hacerlo así

es un descuido que puede resultar en un supuesto desacuerdo entre la teoría y el

experimento, como también falta de reproducibilidad experimental.

L. Matriz de Dispersión. qué falta por hacer y se va a hacer en esta sección.

Se asume que la expansión en series (45) del campo dispersado es uniformemente

convergente. Por lo tanto, se puede terminar las series después de nc términos y el error

resultante será arbitrariamente pequeño para todo kr si nc es suficientemente grande, Si, en

adición, kr >> nc2, se pueden sustituir las expresiones asintóticas (42) y (44) en las series

truncadas; el resultado de las componentes transversales resultantes del campo eléctrico

dispersado son

donde

,coscos

,coscos

10

20

Sikr

eEE

Sikr

eEE

ikr

s

ikr

s

,1

12

,1

12

2

1

nnnnn

nnnnn

bann

nS

bann

nS

74

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y las series son terminadas después de nc términos. La relación entre las amplitudes campo

incidente y dispersado es por lo tanto

Se puede mostrar de (25) que

Pero Pn satisface la ecuación diferencial (4), de la cual, junto con Pn(1) = 1, sigue que

Así, en la dirección hacia delante (= 0º)

la cual sustituimos en el teorema óptico (3.24) da la sección transversal de extinción (62):

.

0

0 ||

1

2||

i

izrik

s

s

E

E

S

S

ikr

e

E

E 75

.

2

111

nnnn

..11 1

d

dPnnn

,122

1000 00

10

2 n

nn banSSS

.04 0

2S

kCext

76

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La relación entre los parámetros de Stokes incidente y dispersada sigue de (75):

Solamente tres de estos cuatro elementos de la matriz son independientes: S112 = S12

2 + S332

+ S342.

Si la luz incidente es 100% polarizada a un plano de dispersión particular, los parámetros

de Stokes de la luz dispersada son

donde se ha omitido el factor 1/k2r2. Así, la luz dispersada es también 100% polarizada

paralela al plano de dispersión. Denotando i la irradiación dispersada por unidad de

irradiación incidente dado que la luz incidente es polarizada paralela al plano de dispersión:

.

2,

2

1

,2

1,

2

1

,

00

00

00

00

1

*12

*2133

*121

*233

2

1

2

212

2

1

2

211

3334

3433

1112

1211

22

SSSSi

SSSSSS

SSSSSS

V

U

Q

I

SS

SS

SS

SS

rk

V

U

Q

I

i

i

i

i

s

s

s

s

77

,0,,1211 ssssis VUIQISSI

.2

21211|| SSSi

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Si la luz incidente es polarizada perpendicular al plano de dispersión, los parámetros de

Stokes de la luz dispersada son

Así, la luz dispersada es también polarizada perpendicular al plano de dispersión.

Denotando i la irradiación dispersada por unidad de irradiación incidente dado que la luz

incidente es polarizada perpendicularmente al plano de dispersión:

Si la luz incidente es no polarizada, los parámetros de Stokes de la luz dispersada son

La razón

es tal que P 1; si P es positiva, la luz dispersada es parcialmente polarizada

perpendicular al plano de dispersión; si P es negativa, la luz dispersada es parcialmente

polarizada paralela al plano de dispersión; el grado de polarización es P.

Independientemente del tamaño y la composición de la esfera P(0º) = P(180º) = 0.

Si la luz incidente es oblicuamente polarizada aun ángulo de 45º al plano de dispersión, la

luz dispersada, en general será elípticamente polarizada, a través del azimutal de la elipse

,0,,1211 ssssis VUIQISSI

.2

11211 SSSi

.0,, 1211 ssisis VUISQISI

||

||

11

12

ii

ii

S

SP

78

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de vibración necesita no ser de 45º. La cantidad de rotación del azimutal, tan bien como

elipticidad, depende no solamente sobre las características de la partícula sino también

sobre la dirección en la cual la luz es dispersada.

M. Un ejemplo de dispersión dependiente del ángulo.

Como un ejemplo de dispersión dependiente del ángulo por una esfera se ha escogido una

gotita de agua con parámetro de tamaño x = 3 iluminada por luz visible de longitud de onda

0.55 m. A esta longitud de onda el índice de refracción complejo de agua es 1.33 + i10-8;

x= 3 corresponde a una gota de radio cerca de 0.26 m. Los primeros cinco coeficientes de

dispersión para esta partícula están dados en la tabla, de la cual esto es claro que las

primeras dos o tres funciones n y n determinan le dependencia angular de la dispersión.

Los resultados de computación utilizando el programa del apéndice A son mostrados en la

Fig. 1.9 : gráfica polar lineal de i y i|| en la parte a; los logaritmos de i y i|| en b; y la

polarización(78) en c; en todos los tres conjuntos de curvas la variable independientes el

ángulo de dispersión .

Quizá el punto más importante a notar es que la dispersión es grandemente maximizada en

la dirección hacia delante. Esto es visto más increíblemente en la gráfica polar lineal de la

parte a. Los pequeños lóbulos de dispersión para > 90° son casi imperceptibles

comparados con los fuertes lóbulos de dispersión hacia delante; efectivamente, para los

lóbulos de retrodispersión es visto en todos requieren que se amplifiquen las gráficas

polares por un factor de 10. La irradiación dispersada en la dirección hacia delante es más

de 100 veces más grande que aquella en la dirección hacia atrás; tal asimetría direccional

llega a ser aún más pronunciada como el parámetro de tamaño incrementa, a el punto que

este es de valor pequeño para exhibir diagramas de dispersión en una manera lineal. Se

intenta mostrar en esta gráfica polar es enfatizar la predominancia de la dispersión hacia

delante aún preferiblemente para esferas pequeñas –una gotita de agua de 0.26 m es tan

pequeña como estar en las nubes sin percibirse.

Se encuentran las consecuencias de la fuerte dispersión hacia delante casi todos los días. En

un paseo por la tarde hacia una puesta brillante de sol puede ser una experiencia segadora,

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aún si la luz directa del sol es bloqueada por el visor de sol, debido a la intensa dispersión

hacia delante por partículas en la atmósfera y sobre el parabrisas. Esto es fácilmente

remediado conduciendo en la dirección opuesta – dispersión a 180° esta dispuesta en

intensidad de menor magnitud- pero esta solución usualmente tiene poco atractivo práctico.

En forma similar, conduciendo de noche en neblina o con un parabrisas sucio puede ser

difícil: la luz de entrada de los faros delanteros del automóvil es dispersada en dirección

hacia delante por las gotitas de neblina o partículas que producen un molesto resplandor.

N. Ancho finito del rayo.

La expresión para el campo dispersado por una esfera fue obtenido bajo la suposición que

el rayo es infinito en extensión lateral; tales rayos, sin embargo son difíciles producir en el

laboratorio. No obstante esto es físicamente plausible que la dispersión y la absorción por

alguna partícula será independiente de la extensión de el rayo provisto de tal manera este es

grande comparado con el tamaño de partícula; es decir, la partícula esta completamente

bañada en la luz incidente. La intuición física es reforzada por el análisis de Tsai y

Pogorzelski (1975), quienes obtuvieron expresiones exactas para el campo dispersado por

una esfera cuando el rayo incidente es cilíndricamente simétrico con una sección

transversal finita. Sus cálculos de la dependencia angular de la luz dispersada por una

esfera conductora no muestra diferencia entre un rayo infinito y finito siempre que el radio

del rayo este cerca de 10 veces más grande que el radio de la esfera. En la mayor parte de

los experimentos de dispersión, aún aquellos utilizando rayos láser sumamente colimados,

esta condición será ciertamente satisfecho. Así, se esta usualmente justificado ignorar el

ancho finito del rayo.

O. Sección transversal de retrodispersión radar.

McDonald (1962) ha descrito la definición de la sección transversal de retrodispersión

radar como “intrínsecamente complicado”; llanamente se estará de acuerdo que es

complicado, pero se sugiere que así este es menos intrínsecamente que innecesariamente.

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Hay varias definiciones existentes, pero ninguna con el poder de producir una clara imagen

de exactamente que esta dando a decir físicamente este concepto. Quizá la más clara

declaración de la definición ha sido dada por Battan(1973, p.30),de quien se citara aquí.

Considerando una partícula arbitraria iluminada por un rayo con irradiación Ii, el cual es

tomado para ser polarizado en x. Esto es claro de los pasos que condujeron a (3.26) que la

cantidad IiX(, )2/k2 es la cantidad de energía dispersada dentro de una unidad de

ángulo sólido sobre una dirección en particular(, ), donde X es el vector amplitud de

dispersión para la partícula. Ahora se considerara un dispersor isotrópico hipotético

iluminado por el mismo rayo, donde el vector de amplitud de dispersión Xiso es

independiente de la dirección y es tomado para ser igual a la amplitud de dispersión en

dirección a la retrodispersión (180°) para la partícula de interés: Xiso = X(180°). La energía

total dispersada Wsca en todas direcciones por la partícula hipotética es por lo tanto

La sección transversal de retrodispersión b es entonces definida por

Esto es la presencia del factor 4 en (82) ese es el obstáculo para la interpretación de b; no

lo fue para este factor, b sería simplemente la sección transversal de dispersión diferencial

para la dispersión dentro de la unidad de ángulo sólido alrededor de la dirección de

retrodispersión. De hecho, esto es obvio de (3.14) y (3.21) que la señal recibida por el

detector subtendiendo al ángulo sólido a la partícula es proporcional a IiX(,

)2/k2 para todos los ángulos de dispersión. En adición causando problemas de

interpretación, la definición histórica también encabezada por una innecesaria paradoja: la

.

180442

2

2

2

k

XI

k

XIW iisoi

sca

.

1804

,1804

2

2

2

2

k

X

k

XIWI

b

iscabi

82

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sección transversal de retrodispersión para una esfera pequeña comparada con la longitud

de onda es más grande que la sección transversal de dispersión total. Esto implica, a

primera vista, que una parte es más grande que el conjunto.

La definición tradicional de la sección transversal de retrodispersión radar puede ser

establecida claramente en pocas palabras: esto es exactamente 4 veces que esto debe ser.

Por lo tanto se recomienda borrar el factor 4 en (82) y solamente reintroducirlo como

soborno por convención cuando sea necesario.

Para una esfera, se tiene de (3.22), (4.48), y (4.74)

Por lo tanto, la eficiencia para retrodispersión Qb es

McDonald (1962) dio una derivación física del valor límite de Qb como x, el cual,

porque de su atractiva simplicidad, es que vale la pena repetirlo aquí.

Considerar una esfera de radio a, la cual es tomada para ser grande comparada con la

longitud de onda así que la óptica geométrica es una buena aproximación. La esfera es

suficientemente absorbente así que todos los rayos que no son reflejados en la primera

interfase son absorbidos dentro de la esfera; así, la dispersión (excluyendo el pico

difracción hacia delante, el cual no contribuye a la sección transversal de retrodispersión) es

enteramente el resultado de la reflexión. Se considera que todos estos rayos reflejados que

son confinados dentro de un conjunto de direcciones definidas por un cono de medio

ángulo 2 cerca de la dirección hacia atrás, donde << 1 pero es mostrado en una escala

.1122

1º180º180

,º180cosº180º180

12

22

122

2

2

nnn

n banSS

senSSX

.1121

2

22 n

nnnb

b banxa

Q

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aumentada en la fig. Toda la energía Wsca dispersada dentro del ángulo sólido = (2)2

resulta de la reflexión de rayos incidentes con ángulos de incidencia entre 0 y . Porque

es pequeño, esta energía dispersada es aproximadamente Wsca = Ii a22R(0º), donde

R(0º) es la reflectancia a incidencia normal(2.58). Por lo tanto, la sección transversal de

retrodispersión esta dada por

,04 2

isca

bi IRaW

I

Y la eficiencia de retrodispersión tiene el valor límite

,0

RQlim bx

El cual es un resultado sorprendentemente simple, porque de la naturaleza peculiar de la

definición de Qb, es menos que obvio. Los cálculos de Deirmendjian de la eficiencia de

retrodispersión para esferas metálicas grandes apoyan este valor límite para Qb. Se enfatiza

que (4.83) es esperada ser correcta solamente si la esfera es absorbente así que los rayos

reflejados internamente no contribuyen a la retrodispersión. Esto a su vez implica que para

una x dada (siempre que, por supuesto x>>1), R(0º) será una mejor aproximación al valor

exacto mas grande que el coeficiente de absorción.

Algunas de las más interesantes aplicaciones de la retrodispersión radar están dadas en

Radar de Ornitología por Eastwood (1967), en el cual uno puede encontrar medida de la

sección transversal de retrodispersión a longitud de onda de 3 cm para palomas, estorninos

y gorriones de casa, junto con cálculos para pájaros esféricos “equivalentes”constituidos de

agua. Parece que la teoría de Mie es suficientemente amplia para abarcar una gran variedad

inesperada de objetos.

P. Cómputo de los coeficientes de dispersión y secciones transversales.

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Para obtener resultados cuantitativos de la Teoría de Mie puede parecer que se esta

enfrentando una tarea directa: se necesita solamente calcular los coeficientes de dispersión

an y bn junto con las funciones angulares n y n y sumar las series (61) y (62) para las

secciones transversales y (74) para los elementos de la matriz de amplitud de dispersión.

Sin embargo, el número de términos requerido para la convergencia puede ser bastante

grande: un lineamiento difícil de seguir es que aproximadamente x términos son suficientes.

Así, si se estuviera interesado en la investigación del arco iris, se necesitaría sumar

aproximadamente 12,000 términos asumiendo que un radio de una gota de agua es de 1mm.

Tal cálculo requiere claramente más que paciencia suficiente, lápiz, bloc de hojas, y una

calculadora de bolsillo. Aun para partículas pequeñas el número de cálculos puede ser

fatigosamente grande. Efectivamente, hasta el advenimiento de computadores digitales de

gran velocidad, los cálculos de dispersión fueron laboriosos, aburridos, y consumían

tiempo; y la literatura sobre dispersión tan recientemente como una década atrás ha tendido

a ser dominada por artículos presentando resultados numéricos para caso especiales.

Aunque las computadoras pueden reducir grandemente el tiempo requerido para sumar

series, hay varios problemas inherentes en el computo de los coeficientes de dispersión de

ellos mismos; an y bn son mejor dicho funciones complicadas de funciones Bessel esféricas

y sus derivativos, los argumentos de los cuales son, en general, complejos.

Afortunadamente, las funciones Bessel satisfacen las simples relaciones de recurrencia,

(11) y (12), y, además, un número pequeño de los primeros ordenes son funciones

trigonométricas. Se podría por lo tanto estar tentado a asumir que se podría sacar una forma

adelante para calcular funciones Bessel de orden arbitrario de las funciones de los dos

ordenes precedentes comenzando con n = 2. Tal seria ciertamente posible con un

computador a la mano. La perfección no es de este mundo, sin embargo, y el error asociado

con la representación inevitable de un número con un número infinito de dígitos por uno

con un número finito puede acumular en tal una forma como producir resultados

incorrectos. No hay unanimidad de opiniones acerca de las condiciones bajo la cual la

acumulación del error puede ser un problema; esto es más probable a consecuencia de

diferente longitud de términos en varios computadores, el factor en que más personas están

usualmente interesados en una variedad limitada de tamaños y propiedades ópticas, junto

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con la desafortunada tendencia humana a generalizar así mismo fácilmente sobre las bases

de experiencia limitada.

Q. Dependencia de la dispersión con respecto al ángulo de la luz incidente. Dispersión de luz polarizada linealmente y sin polarizar. capitulo13

La cantidad de información acerca de la dispersión por alguna partícula o colección de

partículas esta contenida en todos los elementos de la matriz de dispersión de 4 4(1.16).

Sin embargo, la mayoría de las medidas y cálculos son restringidos a luz incidente

polarizada linealmente o sin polarizar sobre una colección de partículas orientadas

aleatoriamente con un plano interno de simetría (por ejemplo, sin actividad óptica). En tales

casos, los elementos de la matriz relevantes son aquellos en el bloque superior izquierdo de

2 2 de la matriz de dispersión, el cual tiene la simetría mostrada abajo.

Aunque se ha escogido enfatizar los parámetros de Stokes más comunes (I, Q, U, V), el

sistema (I||, I, Q, V) es más apropiado para mediciones en las cuales polarizadores lineales

están interpuestos en el rayo incidente y el dispersado. En el último sistema, los parámetros

de Stokes están definidos por

En lugar de(); U y V son los mismos en ambos sistemas. En el sistema (I||, I, U,V) la

matriz de dispersión correspondiente a (13.1) es

.

0

01 2212

1211

22

i

i

i

i

s

s

s

s

V

U

Q

I

SS

SS

rk

V

U

Q

I

EEIEEI ,||||||

)1.13(

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Los elementos de la matriz en los dos sistemas están relacionados por

R. Un poco de definiciones.

Las irradiaciones dispersadas por unidad de irradiación incidente(irradiaciones sin

dimensión)para luz incidente paralela y perpendicular al plano de dispersión son (omitiendo

k2r2)

Y la irradiación dispersada para luz incidente sin polarizar es

.

0

01

||

2212

1211

22

||

i

i

i

i

s

s

s

s

V

U

I

I

QQ

QQ

rk

V

U

I

I

2212112

1222212112

122

221121

12221121

12

22121121

1122121121

11

2,2

,,

,2,2

SSSQQQQS

SSQQQS

SSSQQQQS

,

,

12221211

12111211||

QQSSi

QQSSi

11||

2S

iii

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Otras cantidades comúnmente medidas son el grado de polarización lineal P de la luz

dispersada para luz incidente sin polarizar

y la polarización transversal

la cual es medida insertando polarizadores lineales adelante y atrás del medio de dispersión,

uno con su eje paralelo y el otro con su eje perpendicular al plano de dispersión; el orden de

los polarizadores es sin importancia para la matriz de dispersión especial(13.1).

Con los programas en el apéndice uno puede calcular elementos de la matriz de dispersión

para esferas y, consecuentemente, todas las cantidades definidas en el párrafo precedente.

La polarización transversal desaparece para partículas esféricas, y las siguientes relaciones

se mantienen:

En la literatura científica hay muchas otras funciones de dispersión dependientes del

ángulo, la cual es una fuente de confusiones interminables.

La sección transversal de dispersión diferencial dCsca/d, es definida como la energía

dispersada por unidad tiempo dentro de una unidad de ángulo sólido cerca de una dirección

,2 221211

1122

11

12

QQQ

QQ

S

SP

,221121

12 SSQ

.,, 2211||1122

1122 QiQiQQ

QQP

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–la cual puede estar especificada por dos ángulos, el ángulo de dispersión y el ángulo

azimutal – por unidad de irradiación incidente. Esto es expresado en términos de la

irradiación dispersada Is(, ), la irradiación incidente Ii, y la distancia r al detector como

(dCsca/d no debe ser interpretada como la derivada de una función de ; esto se escribe

formalmente como una derivada solamente como ayuda a la memoria). Aunque, la cantidad

en el lado derecho de la ecuación (13.2) se refiere frecuentemente al “radio Rayleigh”, este

término se evitará a favor de una mejor descripción del término de la sección transversal de

dispersión diferencial. Si la luz incidente es sin polarizar

Para un medio isotrópico tal como la colección de muchas partículas aleatoriamente

orientadas, el cual puede ser además “anisotrópico”, la irradiación dispersada y por lo tanto

sección transversal de dispersión diferencial es independiente de .

La sección transversal de dispersión diferencial dividida por la dispersión total de la

sección transversal

.2

i

ssca

I

Ir

d

dC

.2 2

||

211

k

ii

k

S

d

dCsca

d

dC

Cp sca

sca

1

2.13

3.13

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Es llamada función de fase, un término originado en las fases de los cuerpos astronómicos.

La función de fase esta de acuerdo con Van de Hulst (1957), pero difiere por un factor 4p

de las funciones fase de otros autores (Rosenberg, 1960; Hansen y Travis, 1974).

S. Propiedades de la Dispersión por Esferas.

Un ejemplo de la dispersión angular calculada para una esfera ya se ha dado (Fig.).Para

desarrollar además el entendimiento de la dispersión por esferas, se demuestra en varias

formas I||, I, y P para una secuencia de esferas que incrementan de tamaño en las figuras.

Cálculos para esferas con constantes ópticas apropiadas para agua a longitudes de onda

visible son mostrados en la fig.; I|| y I, se grafican en la izquierda, P en la derecha,

resultados similares para esferas con índice de refracción m = 1.5 + i0.0, el cual

corresponde aproximadamente a cuarzo fundido en la región visible, se muestran en la

figura.

Para parámetros de tamaño pequeños, son obtenidos patrones de dispersión de Rayleigh: la

luz polarizada perpendicularmente es dispersada isotrópicamente, mientras que la luz

polarizada paralela al plano de dispersión desaparece a un ángulo de dispersión de 90°

como consecuencia, la luz incidente sin polarizar esta completamente polarizada a 90°.

Para todos los tamaños I|| = I de 0 a 180°: las dos polarizaciones son indistinguibles en

esas direcciones debido a la simetría; en otras direcciones, el plano de dispersión impone

una distinción. Gráficas polares de función de dispersión se muestran en la fig para varias

gotitas de agua. Estas gráficas no contienen ninguna información nueva pero pueden evocar

imágenes físicas más agudas.

La primera desviación de la teoría de Rayleigh aparece como una asimetría hacia delante-

hacia atrás, con más luz siendo dispersada en direcciones hacia delante, también, el pico de

polarización decrece y cambia a ángulos más grandes. Como el tamaño es incrementado

además, la asimetría llega a ser más pronunciada y el lóbulo de dispersión hacia delante

estrecho dominante. Una concurrente en un incremento de tamaño es más ondulaciones,

como si nuevos picos aparecieran en la dirección de retrodispersión se desplazaran hacia

delante. La complejidad de dispersión incrementada es un indicador de su extrema

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sensibilidad al tamaño. Así, la comparación de dispersión medida con conjuntos de cálculos

es un posible medio de medir esferas exactamente. Para un índice de refracción dado, el

número de picos en el patrón de dispersión da una medianamente buena medida del radio

de la esfera. Esta sensibilidad al radio, sin embargo, causa que la estructura sea eliminada

como la dispersión de tamaño en una colección de partículas incrementa, dando una

crecimiento a patrones mucho más finos.

Aplicabilidad de la Teoría de Mie.

La teoría de dispersión electromagnética para una esfera, la cual se ha llamado teoría de

Mie, provee de un método práctico solamente para calcular propiedades de dispersión de

luz de partículas finitas de tamaño e índice de refracción arbitrario. Claramente, sin

embargo, muchas partículas de interés no son esferas. Esto es por lo tanto de considerable

importancia para saber la extensión para la cual la teoría de Mie es aplicable a partículas no

esféricas. Para determinar esta generalización requiere de una gran cantidad de datos

experimentales y cálculos. Se resumirán abajo las similitudes y diferencias entre la

dispersión por partículas esféricas y no esféricas, en la esperanza de que esto provea una

guía para el uso juicioso de la Teoría de Mie.

La dispersión por una sola partícula o colección de partículas no esféricas orientadas puede,

diferente dispersión por esferas, será azimutalmente dependiente.

1. La dispersión de partículas no esféricas grandes es semejante a esferas de área

equivalente cerca de la dirección hacia delante.

2. Los ángulos del arco iris no son evidentes en los elementos de la matriz para partículas

no esféricas.

3. El diagrama de dispersión (luz incidente sin polarizar) para partículas no esféricas

tiende a ser más plano que aquel para esferas a ángulos más grandes entonces cerca de

90°.

4. Los elementos de la matriz de dispersión fuera del bloque diagonal son cero para

colecciones espejo-simétricas de partículas orientadas aleatoriamente, como ellas son

para esferas.

5. S21/S11 para partículas no esféricas tiende a ser de signo opuesto a aquella para

partículas esféricas.

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6. Las desigualdades S22<S11 y S33= S44 se mantienen para partículas no esféricas. La

primera desigualdad implica que la sección de polarización no necesariamente

desaparece.

7. Hay alguna evidencia que S34/S11 para partículas esféricas y no esféricas están en el

mejor arreglo que otros elementos de matriz normalizados.

En conclusión: partículas no esféricas y esferas de área equivalente dispersan similarmente

cerca de la dirección hacia delante, pero las diferencias entre las dos tienden a aumentar con

el incremento del ángulo de dispersión.

Capítulo V Análisis

Capítulo VI Conclusiones

Capítulo VII Trabajo por Realizar