Rozpraszanie Rayleigha
Z Wikipedii
Rozpraszanie Rayleigha (od nazwiska Lorda Rayleigha) to rozpraszanie światła na cząsteczkach o rozmiarach mniejszych od długości fali rozpraszanego światła. Występuje przy rozchodzeniu się światła w przejrzystych ciałach stałych i cieczach, ale najbardziej efektownie objawia się w gazach. Rozpraszanie Rayleigha na cząsteczkach atmosfery jest przyczyną błękitnego koloru nieba.
Spis treści |
[edytuj] Rozpraszanie pojedynczej cząstki
Rayleigh przyjął, zgodnie z założeniami fizyki klasycznej, że rozpraszanie następuje w wyniku pobudzenia do drgań w rozpraszającym ciele cząstki obdarzonej ładunkiem elektrycznym, drgająca cząstka (zazwyczaj elektron) zachowuje się tak jak dipol (antena dipolowa) wypromieniowując energię pobudzenia jako falę elektromagnetyczną o tej samej częstotliwości jaka ją pobudziła, zależnie od kierunku względem dipola, najwięcej w kierunku prostopadłym do dipola, a wcale w kierunku wzdłuż dipola. Dla dipola znacznie krótszego od jego promieniowanie jest proporcjonalne do czwartej potęgi jego długości.
Intensywność I światła docierającego do obserwatora w wyniku rozproszenia przez jedną małą kulistą cząstkę, dla niespolaryzowanego światła o długości fali λ i intensywności światła padajacego I0 określa:
gdzie:
- R - odległość do cząstki,
- θ - kąt rozproszenia,
- n - współczynnik załamania światła materiału cząstki,
- d - średnica cząstki.
Ze wzoru tego wynika, że:
- rozproszenie światła zależy silnie od długości fali świetlnej (w 4. potędze),
- światło jest rozpraszane we wszystkich kierunkach,
- występująca zależność od kąta rozproszenia jest niewielka,
- światło rozproszenie w przód, ma takie samo natężenie jak światło rozproszone wstecz.
[edytuj] Polaryzacja światła rozproszonego
W powyższym wzorze fragment 1 + cos2θ wynika z różnego rozproszenia światła o różnych polaryzacjach. Składnik pierwszy (1) określa rozproszenie światła o polaryzacji prostopadłej do płaszczyzny wyznaczonej przez punkty źródło światła - rozpraszająca cząstka - obserwator, określa on że rozpraszanie tej składowej nie zależy od kąta rozproszenia. Składnik (cos2θ) określa rozproszenie światła o polaryzacji równoległej do płaszczyzny padania - rozproszenia, składnik ten zależy od kąta rozproszenia i jest równy zero dla kąta prostego. Oznacza, to że światło rozproszone pod kątem prostym jest spolaryzowane liniowo. Zjawisko to odpowiada za częściową polaryzację błękitu nieba.
[edytuj] Rozpraszanie od wielu cząstek
Intensywność rozpraszania od wielu cząstek we wszystkich kierunkach zależy od rozmiaru cząsteczek, długości fali światła. W szczególności, w przypadku rozpraszania Rayleigha, współczynnik rozpraszania i natężenie rozpraszanego światła są odwrotnie proporcjonalne do czwartej potęgi długości fali światła (zależność znana jako prawo Rayleigha).
Współczynnik rozpraszania Rayleigha ks wyraża się wzorem:
gdzie:
- m - liczba cząstek rozpraszających
- d - średnica cząstek
- n - współczynnik załamania
- λ - długość fali
Silna zależność intensywności rozpraszania od długości fali (~λ-4) oznacza, że światło niebieskie jest rozpraszane silniej niż czerwone. Przy przejściu promienia przez atmosferę będzie to oznaczać, że fotony niebieskie są rozpraszane silniej niż fotony o większej długości fali. W rezultacie rozproszone światło niebieskie dociera do nas ze wszystkich stron nieba, podczas gdy inne długości fal rozchodzą się prosto od słońca, rozpraszane w znacznie mniejszym stopniu.
Rozpraszanie światła na cząsteczkach o rozmiarach porównywalnych lub większych od długości fali świetlnej opisuje rozwiązanie Mie.
