Rayleighův rozptyl - Rayleigh scattering - Wikipedia

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

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]
Vliv fluktuací
Když dielektrická konstanta určité oblasti objemu se liší od průměrné dielektrické konstanty média , pak bude jakékoli dopadající světlo rozptýleno podle následující rovnice[18]
Příčina modré barvy oblohy

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

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
- ^ Lord Rayleigh (John Strutt) vylepšil svou teorii rozptylu v sérii článků; vidět Funguje.
- ^ Young, Andrew T (1981). "Rayleighův rozptyl". Aplikovaná optika. 20 (4): 533–5. Bibcode:1981ApOpt..20..533Y. doi:10,1364 / AO.20.000533. PMID 20309152.
- ^ Tyndall, John (1869). „Na modré barvě oblohy, polarizaci světlíku a na polarizaci světla oblačnou hmotou obecně“. Sborník královské společnosti v Londýně. 17: 223–233. doi:10.1098 / rspl.1868.0033.
- ^ Conocimiento, Ventana al (01.08.2018). „John Tyndall, muž, který vysvětlil, proč je nebe modré“. Otevřená mysl. Citováno 2019-03-31.
- ^ Strutt, Hon. J.W. (1871). "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, Hon. J.W. (1871). "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, Hon. J.W. (1871). "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). „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). „O přenosu světla atmosférou, která obsahuje malé částice v suspenzi, ao původu modré oblohy.“. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 47 (287): 375–384. doi:10.1080/14786449908621276.
- ^ Modrá obloha a Rayleighův rozptyl. Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Citováno 2018-08-06.
- ^ A b „Cornell přednášky“ (PDF). Citováno 2. dubna 2014.
- ^ Barnett, C.E. (1942). Msgstr "Nějaká aplikace vlnové délky turbidimetrie v infračervené oblasti". J. Phys. Chem. 46 (1): 69–75. doi:10.1021 / j150415a009.
- ^ Seinfeld, John H. a Pandis, Spyros N. (2006) Atmosférická chemie a fyzika, 2. vydání, John Wiley and Sons, New Jersey, kapitola 15.1.1, ISBN 0471720186
- ^ Cox, A.J. (2002). „Experiment na měření Mie a Rayleighova celkového rozptylu průřezů“. American Journal of Physics. 70 (6): 620. Bibcode:2002AmJPh..70..620C. doi:10.1119/1.1466815.
- ^ Siegel, R., Howell, J. R., (2002). Přenos tepla tepelným zářením. p. 480. New York, NY: Taylor & Francis. ISBN 1560329688
- ^ Sneep, Maarten; Ubachs, Wim (2005). "Přímé měření Rayleighova rozptylového průřezu v různých plynech". Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 92 (3): 293–310. Bibcode:2005JQSRT..92..293S. doi:10.1016 / j.jqsrt.2004.07.025.
- ^ Rayleighův rozptyl. Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Citováno 2018-08-06.
- ^ McQuarrie, Donald A. (Donald Allan) (2000). Statistická mechanika. Sausalito, Kalifornie: University Science Books. str.62. ISBN 1891389157. OCLC 43370175.
- ^ Zerefos, C. S .; Gerogiannis, V. T .; Balis, D .; Zerefos, S. C .; Kazantzidis, A. (2007), „Atmosférické účinky sopečných erupcí, jak je viděli slavní umělci a jak je znázorněno na jejich obrazech“ (PDF), Atmosférická chemie a fyzika, 7 (15): 4027–4042, doi:10.5194 / acp-7-4027-2007
- ^ Rajagopal, K. (2008) Učebnice technické fyziky, PHI, Nové Dillí, část I, Ch. 3, ISBN 8120336658
- ^ Modrá a červená | Příčiny barev. Webexhibits.org. Citováno 2018-08-06.
- ^ Svensson, Tomáš; Shen, Zhijian (2010). „Laserová spektroskopie plynu uzavřeného v nanoporézních materiálech“ (PDF). Aplikovaná fyzikální písmena. 96 (2): 021107. arXiv:0907.5092. Bibcode:2010ApPhL..96b1107S. doi:10.1063/1.3292210.
Další čtení
- C.F. Bohren, D. Huffman, Absorpce a rozptyl světla malými částicemi„John Wiley, New York 1983. Obsahuje dobrý popis asymptotického chování Mieovy teorie pro parametr malé velikosti (Rayleighova aproximace).
- Ditchburn, R.W. (1963). Světlo (2. vyd.). London: Blackie & Sons. str.582–585. ISBN 978-0-12-218101-6.
- Chakraborti, Sayan (září 2007). "Ověření Rayleighova rozptylového průřezu". American Journal of Physics. 75 (9): 824–826. arXiv:fyzika / 0702101. Bibcode:2007AmJPh..75..824C. doi:10.1119/1.2752825.
- Ahrens, C. Donald (1994). Meteorologie dnes: úvod do počasí, podnebí a životního prostředí (5. vydání). St. Paul MN: West Publishing Company. str.88–89. ISBN 978-0-314-02779-5.
- Lilienfeld, Pedro (2004). „Historie modré oblohy“. Novinky v oblasti optiky a fotoniky. 15 (6): 32–39. doi:10.1364 / OPN.15.6.000032. Poskytuje krátkou historii teorií, proč je modrá obloha vedoucí k Rayleighovu objevu, a krátký popis Rayleighova rozptylu.