Rayleighův rozptyl - Rayleigh scattering - Wikipedia

Rayleighův rozptyl způsobuje modrou barvu dne nebe a zarudnutí Slunce v západ slunce.

Rayleighův rozptyl (/ˈreɪli/ PAPRSEK-závětří ), pojmenovaný podle britského fyzika devatenáctého století Lord Rayleigh (John William Strutt),^[1] je převážně elastický rozptyl z světlo nebo jiný elektromagnetická radiace částicemi mnohem menšími než vlnová délka záření. Pro světelné frekvence hluboko pod rezonance frekvence rozptýlené částice (normální disperze režimu), množství rozptylu je nepřímo úměrné do čtvrtá síla vlnové délky.

Rayleighův rozptyl je výsledkem elektrického polarizovatelnost částic. Oscilační elektrické pole světelné vlny působí na náboje uvnitř částice a způsobuje jejich pohyb na stejné frekvenci. Z částice se tedy stává malý vyzařující dipól, jehož záření vidíme jako rozptýlené světlo. Částice mohou být jednotlivé atomy nebo molekuly; může nastat, když světlo prochází průhlednými pevnými látkami a kapalinami, ale je to nejvýrazněji vidět v plyny.

Rayleighův rozptyl sluneční světlo v Atmosféra Země příčiny difúzní záření oblohy, což je důvod pro modrou barvu během dne a soumrak nebe, stejně jako nažloutlý do načervenalého odstínu minima slunce. Sluneční světlo také podléhá Ramanův rozptyl, která mění rotační stav molekul a vede k ní polarizace účinky.^[2]

Rozptyl částicemi podobnými nebo větším než je vlnová délka světla je obvykle zpracováván pomocí Teorie Mie, diskrétní dipólová aproximace a další výpočetní techniky. Rayleighův rozptyl se vztahuje na částice, které jsou malé vzhledem k vlnovým délkám světla a které jsou opticky „měkké“ (tj. S indexem lomu blízkým 1). Anomální difrakční teorie platí pro opticky měkké, ale větší částice.

Dějiny

V roce 1869, když se pokoušel zjistit, zda ve vyčištěném vzduchu zůstaly nějaké kontaminanty, použil pro infračervené experimenty, John Tyndall objevil, že jasné světlo rozptylující nanoskopické částice bylo slabě namodralé.^[3][4] Domníval se, že podobný rozptyl slunečního světla dal obloze jeho modrý odstín, ale nedokázal vysvětlit preference modrého světla, ani atmosférický prach nevysvětlil intenzitu barvy oblohy.

V roce 1871 Lord Rayleigh zveřejnil dva dokumenty o barvě a polarizaci světlíku, které bylo možné kvantifikovat Tyndallov účinek v kapičkách vody, pokud jde o objemy drobných částic a indexy lomu.^[5][6][7] V roce 1881 s výhodou James Clerk Maxwell rok 1865 důkaz elektromagnetické povahy světla, ukázal, že jeho rovnice vyplývají z elektromagnetismu.^[8] V roce 1899 ukázal, že platí pro jednotlivé molekuly, přičemž výrazy obsahující objemy částic a indexy lomu byly nahrazeny výrazy pro molekulární polarizovatelnost.^[9]

Aproximace parametru malé velikosti

Velikost rozptylové částice je často parametrizována poměrem

$${ displaystyle x = { frac {2 pi r} { lambda}}}$$

kde r je poloměr částice, λ je vlnová délka světla a X je bezrozměrný parametr, který charakterizuje interakci částice s dopadajícím zářením tak, že: Objekty s x ≫ 1 působí jako geometrické tvary a rozptylují světlo podle jejich promítnuté plochy. Na mezilehlé x ≃ 1 z Mie rozptyl, vznikají interferenční efekty fáze variace na povrchu objektu. Rayleighův rozptyl platí pro případ, kdy je rozptyl částice velmi malý (x ≪ 1, s velikostí částic <1/10 vlnové délky^[10]) a celý povrch vyzařuje stejnou fází. Protože částice jsou náhodně umístěny, rozptýlené světlo dorazí do určitého bodu s náhodným seskupením fází; to je nesouvislý a výsledný intenzita je jen součet čtverců amplitud z každé částice, a je tedy úměrný inverzní čtvrté síle vlnové délky a šesté síle její velikosti.^[11][12] Závislost na vlnové délce je charakteristická pro dipólový rozptyl^[11] a objemová závislost bude platit pro jakýkoli rozptylový mechanismus. Podrobně intenzita Já světla rozptýleného kteroukoli z malých kuliček průměru d a index lomu n z paprsku nepolarizovaného světla vlnové délky λ a intenzita Já₀ darováno

$${ displaystyle I = I_ {0} { frac {1+ cos ^ {2} theta} {2R ^ {2}}} vlevo ({ frac {2 pi} { lambda}} vpravo ) ^ {4} left ({ frac {n ^ {2} -1} {n ^ {2} +2}} right) ^ {2} left ({ frac {d} {2}} right) ^ {6}}$$

kde R je vzdálenost k částice a θ je úhel rozptylu. Zprůměrováním ve všech úhlech získá Rayleigh rozptyl průřezu^[14]

$${ displaystyle sigma _ { text {s}} = { frac {2 pi ^ {5}} {3}} { frac {d ^ {6}} { lambda ^ {4}}} vlevo ({ frac {n ^ {2} -1} {n ^ {2} +2}} vpravo) ^ {2}}$$

Podíl světla rozptýleného rozptylem částic po jednotkové délce jízdy (např. Metr) je počet částic na jednotku objemu N násobek průřezu. Například hlavní složka atmosféry, dusík, má Rayleighův průřez o 5.1×10⁻³¹ m² při vlnové délce 532 nm (zelené světlo).^[16] To znamená, že při atmosférickém tlaku, kde je asi 2×10²⁵ molekul na metr krychlový, asi zlomek 10⁻⁵ světla bude rozptýleno na každý metr cesty.

Závislost rozptylu na silné vlnové délce (~λ⁻⁴) znamená, že kratší (modrý ) vlnové délky jsou rozptýleny silněji než déle (Červené ) vlnové délky.

Z molekul

Obrázek ukazující větší podíl modrého světla rozptýleného atmosférou ve srovnání s červeným světlem.

Výše uvedený výraz lze také psát z hlediska jednotlivých molekul vyjádřením závislosti na indexu lomu z hlediska molekuly polarizovatelnost α, úměrný dipólovému momentu vyvolanému elektrickým polem světla. V tomto případě je uvedena intenzita Rayleighova rozptylu pro jednu částici CGS-jednotky podle^[17]

$${ displaystyle I = I_ {0} { frac {8 pi ^ {4} alpha ^ {2}} { lambda ^ {4} R ^ {2}}} (1+ cos ^ {2} theta).}$$

Vliv fluktuací

Když dielektrická konstanta ${ displaystyle epsilon}$ určité oblasti objemu ${ displaystyle V}$ se liší od průměrné dielektrické konstanty média ${ displaystyle { bar { epsilon}}}$, pak bude jakékoli dopadající světlo rozptýleno podle následující rovnice^[18]

$${ displaystyle I = I_ {0} { frac { pi ^ {2} V ^ {2} sigma _ { epsilon} ^ {2}} {2 lambda ^ {4} R ^ {2}} } { left (1+ cos ^ {2} theta right)}}$$

${ displaystyle sigma _ { epsilon} ^ {2}}$

${ displaystyle epsilon}$

Příčina modré barvy oblohy

Rozptýlené modré světlo je polarizovaný. Obrázek vpravo je natočen přes a polarizační filtr: polarizátor propouští světlo, které je lineárně polarizovaný konkrétním směrem.

Závislost rozptylu na silné vlnové délce (~λ⁻⁴) znamená, že kratší (modrý ) vlnové délky jsou rozptýleny silněji než déle (Červené ) vlnové délky. To má za následek nepřímé modré světlo přicházející ze všech oblastí oblohy. Rayleighův rozptyl je dobrou aproximací způsobu, jakým dochází k rozptylu světla v různých médiích, pro která mají částice rozptylu malou velikost (parametr ).

Část paprsku světla vycházejícího ze slunce rozptyluje molekuly plynu a jiné malé částice v atmosféře. Zde Rayleighův rozptyl primárně probíhá skrz sluneční světlo Interakce s náhodně umístěnými molekulami vzduchu. Je to toto rozptýlené světlo, které dává okolní obloze její jas a barvu. Jak již bylo uvedeno, Rayleighův rozptyl je nepřímo úměrný čtvrté síle vlnové délky, takže fialové a modré světlo s kratší vlnovou délkou se rozptylují více než delší vlnové délky (žluté a zejména červené světlo). Slunce však, jako každá hvězda, má své vlastní spektrum atd Já₀ ve vzorci rozptylu výše není konstantní, ale odpadá ve fialové. Kyslík v zemské atmosféře navíc pohlcuje vlnové délky na okraji ultrafialové oblasti spektra. Výsledná barva, která vypadá jako bledě modrá, je ve skutečnosti směsí všech rozptýlených barev, hlavně modré a zelené. Naopak při pohledu na slunce jsou barvy, které nebyly rozptýleny - delší vlnové délky, jako je červené a žluté světlo - přímo viditelné a dodávají samotnému slunci mírně nažloutlý odstín. Při pohledu z vesmíru je však obloha černá a slunce bílé.

Zčervenání slunce je zesíleno, když je blízko horizontu, protože světlo přijímané přímo z něj musí procházet více atmosférou. Účinek se dále zvyšuje, protože sluneční světlo musí procházet větším podílem atmosféry blíže zemskému povrchu, kde je hustší. Tím se odstraní významná část světla kratší vlnové délky (modré) a střední vlnové délky (zelené) z přímé cesty k pozorovateli. Zbývající nerozptýlené světlo má tedy většinou delší vlnové délky a vypadá červenější.

Část rozptylu může být také ze síranových částic. Po celá léta Plinianské erupce, modrá obloha je zjevně zesvětlena přetrvávajícím síranovým zatížením stratosférický plyny. Některá díla umělce J. M. W. Turner může za své živé červené barvy vděčit erupci Mount Tambora za jeho života.^[19]

V místech s malým světelné znečištění, měsíční noční obloha je také modrá, protože měsíční světlo odráží sluneční světlo a je o něco nižší teplota barvy kvůli nahnědlé barvě měsíce. Měsíčně osvětlená obloha však není vnímána jako modrá, protože při nízké úrovni osvětlení vychází lidské vidění hlavně z tyčové buňky které neprodukují žádné vnímání barev (Purkyňův efekt ).^{[Citace je zapotřebí ]}

V amorfních pevných látkách

Rayleighův rozptyl je také důležitým mechanismem rozptylu vln dovnitř amorfní pevné látky jako je sklo, a je zodpovědný za tlumení akustických vln a tlumení fononů ve sklech a zrnitých hmotách při nízkých nebo ne příliš vysokých teplotách.

V optických vláknech

Rayleighův rozptyl je důležitou součástí rozptylu optických signálů dovnitř optická vlákna. Křemičitá vlákna jsou skla, neuspořádané materiály s mikroskopickými změnami hustoty a indexu lomu. Ty způsobují ztráty energie v důsledku rozptýleného světla s následujícím koeficientem:^[20]

$${ displaystyle alpha _ { text {scat}} = { frac {8 pi ^ {3}} {3 lambda ^ {4}}} n ^ {8} p ^ {2} kT _ { text {f}} beta}$$

kde n je index lomu, str je fotoelastický koeficient skla, k je Boltzmannova konstanta, a β je izotermická stlačitelnost. T_F je fiktivní teplota, představující teplotu, při které jsou fluktuace hustoty „zmrazeny“ v materiálu.

V porézních materiálech

Rayleigh rozptyl dovnitř opaleskující sklo: z boku se jeví modré, ale prosvítá oranžové světlo.^[21]

Rayleighův typ λ⁻⁴ rozptyl může být také vystaven porézními materiály. Příkladem je silný optický rozptyl nanoporézními materiály.^[22] Silný kontrast indexu lomu mezi póry a pevnými částmi slinutého materiálu oxid hlinitý má za následek velmi silný rozptyl, přičemž světlo v průměru každých pět mikrometrů zcela mění směr. The λ⁻⁴- rozptyl typu je způsoben nanoporézní strukturou (úzká distribuce velikosti pórů kolem ~ 70 nm) získanou slinování monodisperzní prášek oxidu hlinitého.

Viz také

• Rayleighův model oblohy
• Riceanské slábnutí
• Optický jev
• Dynamický rozptyl světla
• Ramanův rozptyl
• Rayleigh – Gansova aproximace
• Tyndallův efekt
• Kritická opalescence
• Marian Smoluchowski
• Rayleighovo kritérium
• Letecký pohled
• Parametrický proces
• Braggův zákon

Funguje

• Strutt, J. W. (1871). „XV. Na světle z nebe, jeho polarizaci a barvu“. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 41 (271): 107–120. doi:10.1080/14786447108640452.
• Strutt, J. W. (1871). „XXXVI. Na světle z nebe, jeho polarizaci a barvu“. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 41 (273): 274–279. doi:10.1080/14786447108640479.
• Strutt, J. W. (1871). „LVIII. O rozptylu světla malými částicemi“. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 41 (275): 447–454. doi:10.1080/14786447108640507.
• Rayleigh, Lord (1881). „X. O elektromagnetické teorii světla“. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 12 (73): 81–101. doi:10.1080/14786448108627074.
• Rayleigh, Lord (1899). „XXXIV. O přenosu světla atmosférou obsahující malé částice v suspenzi a o původu modré oblohy“. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 47 (287): 375–384. doi:10.1080/14786449908621276.

Reference

Další čtení

externí odkazy

• HyperPhysics popis Rayleighova rozptylu
• Úplné fyzické vysvětlení barvy oblohy, jednoduše řečeno