Вплив застійного шару на довжину вільного пробігу фотонів у концентрованих суспензіях наночастинок
Вантажиться...
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Укладач
Редактор
Назва журналу
ISSN
E-ISSN
Назва тому
Видавець
Одеський національний університет імені І. І. Мечникова
Анотація
У роботі аналізується можливість визначення товщини і показника заломлення застійного шару наночастинок у концентрованих суспензіях за транспортними характеристиками фотонів розсіяного світла Аналіз базується на фізично прозорому узагальненні поняття однократного розсіяння на системах, у яких кількість частинок в об’ємах з лінійними розмірами порядку довжини світлової хвилі в середовищі значно перевищує одиницю. Це узагальнення здійснюється в рамках уявлення про компактні групи частинок, дозволяє вийти за межі традиційного наближення Борна та врахувати багаточастинкові ефекти, яким відповідають ті області інтегрування в членах ітераційного ряду для розсіяного поля, де внутрішні пропагатори мають поведінку типу дельта-функції. Як результат, обчислення транспортних характеристик фотонів виявляється можливим без детального моделювання процесів багаточастинкових розсіянь і кореляцій у системі. Досліджено теоретичну залежність довжини вільного пробігу фотонів від показника заломлення та товщини застійного шару, показано їх помітний вплив на неї. Збільшення показника заломлення при фіксованій товщині шару зменшує довжину пробігу внаслідок збільшення оптичної густини суспензії. Характер залежності довжини пробігу фотонів від товщини шару визначається співвідношенням між значеннями його показника заломлення і показника заломлення базової рідини. Вона є зростаючою, коли перший є меншим за другий, але спадає в противному випадку. Експериментально спостережуване збільшення довжини пробігу з концентрацією частинок традиційно пояснюється проявом вищих кореляційних ефектів. Наша теорія показує що наявність застійного шару заплутує ситуацію, оскільки обидва фактори можуть як підсилювати, так і послаблювати один одного. Для розв’язання цього питання потрібна постановка нових спеціально спланованих експериментів.
We analyze the possibility of evaluation of the thickness and refractive index of the stagnant layer in concentrated suspensions of nanoparticles through the transport characteristics of scattered light photons. The analysis is based on a physically-transparent generalization of the concept of the single scattering intensity off systems in which the number of particles within regions with linear sizes of order of the wavelength in the medium greatly exceeds unity. This generalization is carried out within the notion of compact groups of particles, makes it possible to go beyond the traditional Born approximation, and take into account manyparticle effects contributed from those ranges of integration variables in the terms of the iteration series for the scattered field where the internal propagators have delta-function-type behavior. As a result, the evaluation of the photon transport characteristics becomes possible without a detailed modeling of many-particle scattering and correlation processes in the system. The photon mean-free-path length is investigated theoretically as a function of the stagnant refractive index and that of the layer thickness to show a noticeable effect of both parameters on it. As the layer refractive index is increased at a fixed layer thickness, the mean-free-path length decreases because the suspension optical density increases. As a function of the layer thickness, the photon mean-free-path length reveals different types of behavior, depending on the relation between the refractive indices of the stagnant layer and base liquid. If the former is smaller than the latter, this behavior is increasing; in the opposite case, it is decreasing. An experimentally observed increase of the photon mean-free-path length with the particle concentration is usually explained as a manifestation of higher correlation effects. Our theory reveals that the presence of the stagnant layer make the situation more complicated, for both factors may either enhance or diminish each other. To resolve the issue, new speciallydesigned experiments are required to be set up. Keywords
We analyze the possibility of evaluation of the thickness and refractive index of the stagnant layer in concentrated suspensions of nanoparticles through the transport characteristics of scattered light photons. The analysis is based on a physically-transparent generalization of the concept of the single scattering intensity off systems in which the number of particles within regions with linear sizes of order of the wavelength in the medium greatly exceeds unity. This generalization is carried out within the notion of compact groups of particles, makes it possible to go beyond the traditional Born approximation, and take into account manyparticle effects contributed from those ranges of integration variables in the terms of the iteration series for the scattered field where the internal propagators have delta-function-type behavior. As a result, the evaluation of the photon transport characteristics becomes possible without a detailed modeling of many-particle scattering and correlation processes in the system. The photon mean-free-path length is investigated theoretically as a function of the stagnant refractive index and that of the layer thickness to show a noticeable effect of both parameters on it. As the layer refractive index is increased at a fixed layer thickness, the mean-free-path length decreases because the suspension optical density increases. As a function of the layer thickness, the photon mean-free-path length reveals different types of behavior, depending on the relation between the refractive indices of the stagnant layer and base liquid. If the former is smaller than the latter, this behavior is increasing; in the opposite case, it is decreasing. An experimentally observed increase of the photon mean-free-path length with the particle concentration is usually explained as a manifestation of higher correlation effects. Our theory reveals that the presence of the stagnant layer make the situation more complicated, for both factors may either enhance or diminish each other. To resolve the issue, new speciallydesigned experiments are required to be set up. Keywords
Опис
Ключові слова
суспензії наночастинок, застійний шар, розсіяння світла, фотонний транспорт, гідродинамічний радіус, nanofluids, stagnant layer, light scattering, photon transport, hydrodynamic radius
Бібліографічний опис
Фізика аеродисперсних систем = Physics of aerodisperse systems