Reyli səpələnməsi

Rayleigh səpələnməsi gündüz səmanın mavi rəngə və günəş batarkən isə qızarmasına səbəb olur.

On doqquzuncu əsr İngilis fiziki Lord Rayleigh'in (John William Strutt) adını daşıyan Rayleigh səpələnməsi (/ ˈreɪli / RAY-lee), şüalanmanın dalğa uzunluğundan xeyli kiçik hissəciklər tərəfindən işığın və ya digər elektromaqnit şüaların əsasən elastik bir şəkildə səpələnməsidir. Səpələnmə hissəciyinin rezonans tezliyindən (normal dispersiya rejimi) xeyli aşağı olan işıq tezlikləri üçün səpələnmə miqdarı dalğa uzunluğunun dördüncü gücü ilə tərs mütənasibdir.

Rayleigh səpələnməsi hissəciklərin elektrik polarizasiyasından qaynaqlanır. Bir işıq dalğasının salınan elektrik sahəsi bir hissəcik içindəki yüklərə təsir göstərir və eyni tezlikdə hərəkət etmələrinə səbəb olur. Bu səbəbdən hissəcik, şüalanmasını dağınıq bir işıq olaraq gördüyümüz kiçik bir radiasiya dipoluna çevrilir. Hissəciklər ayrı atom və ya molekul ola bilər; işığın şəffaf qatı və mayelərdən keçdiyi zaman baş verə bilər, ancaq ən çox qazlarda görülür.

Rayleigh'in yer atmosferində günəş işığının səpələnməsi dağınıq səma radiasiyasına səbəb olur ki, bu da gündüzün və alatoranlığın səmanın mavi rənginin, həm də alçaq Günəşin sarımtıldan qırmızımtıl çalarlarının səbəbidir. Günəş işığı da molekulların fırlanma vəziyyətini dəyişdirən və qütbləşmə təsirlərinə səbəb olan Raman dağılmalarına məruz qalır.

İşığın dalğa uzunluğu ilə müqayisə oluna bilən və ya daha böyük bir ölçülü hissəciklər tərəfindən səpələnmə, ümumiyyətlə Mie nəzəriyyəsi, ayrı-ayrı dipol yaxınlaşması və digər hesablama üsulları ilə izah olunur. Rayleigh səpələnməsi, işığın dalğa uzunluğuna görə kiçik olan və optik olaraq "yumşaq" olan hissəciklərə aiddir (yəni 1-ə yaxın bir qırılma göstəricisi ilə). Anormal difraksiya nəzəriyyəsi optik cəhətdən yumşaq, lakin daha böyük hissəciklər üçün tətbiq olunur.

Tarix

John Tyndall, 1869-cu ildə infraqırmızı təcrübələr üçün istifadə etdiyi təmizlənmiş havada hər hansı bir çirkləndirici maddənin olub-olmadığını müəyyənləşdirməyə çalışarkən, nanoskopik hissəciklərə səpələnən parlaq işığın zəif mavi rəngli olduğunu aşkar etdi. Bənzər bir günəş işığının səmaya mavi çalar verdiyini zənn etdi, ancaq nə mavi işığa üstünlük verdiyini, nə də atmosfer tozları səmanın rənginin intensivliyini izah edə bilmədi.

1871-ci ildə Con Uilyam Strett , Tyndallın su damlalarındakı təsirini kiçik hissəciklərin həcmi və qırılma göstəriciləri baxımından ölçmək üçün çıraq işığının rəngi və qütbləşməsinə dair iki sənəd nəşr etdirdi. 1881-ci ildə Ceyms Maksvellin 1865-ci ildə işığın elektromaqnit təbiətini sübut etməsi ilə bərabərliklərinin elektromaqnetizmdən irəli gəldiyini göstərdi. 1899-cu ildə, ayrı-ayrı molekullara tətbiq olunduqlarını, hissəcik həcmləri və qırılma indeksləri olan terminləri molekulyar qütbləşmə şərtləri ilə əvəz etdiklərini göstərdi.

Kiçik ölçülü parametr təqribi

Səpələnmiş hissəciklərin ölçüsü çox vaxt nisbətlə parametrləşdirilir$$x={\frac {2\pi r}{\lambda }}$$burada r hissəcik radiusu, λ işığın dalğa boyu və x hissəcikin düşən şüalanma ilə qarşılıqlı təsirini xarakterizə edən ölçüsüz bir parametrdir: x with 1 olan cisimlər həndəsi fiqurlar kimi fəaliyyət göstərir, proqnozlaşdırılan ərazilərinə görə işığı səpir. Mie səpilməsinin aralıq x At 1-də müdaxilə effektləri cismin səthindəki faza dəyişikliyi ilə inkişaf edir. Rayleigh səpələnməsi, səpələnən hissəcik çox kiçik olduqda (x ≪ 1, hissəcik ölçüsü <1/10 dalğa uzunluğu ) və bütün səth eyni faza ilə yenidən şüalanarkən tətbiq olunur. Hissəciklər təsadüfi şəkildə yerləşdirildiyi üçün səpələnmiş işıq, təsadüfi fazlar toplusu ilə müəyyən bir nöqtəyə çatır; əlaqəsizdir və ortaya çıxan intensivlik yalnız hər hissəcikdən gələn amplitüdlərin kvadratlarının cəmidir və bu səbəbdən dalğa uzunluğunun tərs dördüncü gücü və ölçüsünün altıncı gücü ilə mütənasibdir. Dalğa uzunluğundan asılılıq dipol səpilməsinin və həcm asılılığı hər hansı bir səpələnmə mexanizminə şamil ediləcəkdir. Davamı, intensivliyi diametri d və kiçik sahələrdə hər hansı bir ilə səpələnmiş yüngül I qırılma index ₀ verilir I dalğa λ və intensivliyi unpolarized yüngül bir şüa n$$I=I_{0}{\frac {1+\cos ^{2}\theta }{2R^{2}}}\left({\frac {2\pi }{\lambda }}\right)^{4}\left({\frac {n^{2}-1}{n^{2}+2}}\right)^{2}\left({\frac {d}{2}}\right)^{6}$$

burada R hissəcik məsafəsi və θ səpələnmə açısıdır. Bunu hər açıdan ortalamaq Rayleighə səpələnmiş kəsik $$\sigma _{\text{s}}={\frac {2\pi ^{5}}{3}}{\frac {d^{6}}{\lambda ^{4}}}\left({\frac {n^{2}-1}{n^{2}+2}}\right)^{2}$$

Vahid hərəkət uzunluğu (məsələn, metr) üzərində hissəciklər səpələyərək səpələnən işığın hissəsi vahid həcmə düşən hissəciklərin kəsiyin N qatına bərabərdir. Məsələn, atmosferin əsas tərkib hissəsi olan azot, 5.1× 10 −31 olan Rayleigh kəsiyinə malikdir. m 2 532 dalğa uzunluğunda nm (yaşıl işıq). Bu o deməkdir ki, 2× 10 25 molekul olduğu atmosfer təzyiqində, işığın hər metri üçün ^{təxminən −5} hissəsinin bir hissəsi səpələnəcəkdir.

Səpələnmənin güclü dalğa boyu asılılığı (~ λ ^depend4 ) daha qısa ( mavi ) dalğa uzunluqlarının daha uzun ( qırmızı ) dalğa uzunluqlarına nisbətən daha güclü səpələndiyini bildirir.

Molekullardan

Atmosfer tərəfindən səpələnən mavi işığın qırmızı işığa nisbətən daha çox nisbətini göstərən şəkil.

Yuxarıdakı ifadə, işığın elektrik sahəsi tərəfindən induksiya olunan dipol momenti ilə mütənasib olaraq molekulyar qütbləşmə qabiliyyəti baxımından qırılma indeksindən asılılığı ifadə edərək ayrıca molekullar baxımından da yazıla bilər. Bu vəziyyətdə, bir hissəcik üçün Rayleigh səpələnmə intensivliyi CGS-vahidlərində $$I=I_{0}{\frac {8\pi ^{4}\alpha ^{2}}{\lambda ^{4}R^{2}}}(1+\cos ^{2}\theta ).$$

Dalğalanmaların təsiri

Dielektrik sabit olduqda $\epsilon$ müəyyən bir həcm bölgəsinin $V$ mühitin orta dielektrik sabitliyindən fərqlidir ${\bar {\epsilon }}$, onda hər hansı bir qəza işığı aşağıdakı tənliyə görə səpələnəcəkdir $$I=I_{0}{\frac {\pi ^{2}V^{2}\sigma _{\epsilon }^{2}}{2\lambda ^{4}R^{2}}}{\left(1+\cos ^{2}\theta \right)}$$harada $\sigma _{\epsilon }^{2}$ dielektrik sabitindəki dalğalanmanın dispersiyasını təmsil edir $\epsilon$ .

Göyün mavi rənginin səbəbi

Dağınıq mavi işıq qütbləşir . Sağdakı şəkil polarizasiya filtrindən vurulur: polarizator müəyyən bir istiqamətdə xətti olaraq qütbləşən işığı ötürür.

Səpələnmənin güclü dalğa boyu asılılığı (~ λ ^depend4 ) daha qısa ( mavi ) dalğa uzunluqlarının daha uzun ( qırmızı ) dalğa uzunluqlarına nisbətən daha güclü səpələndiyini bildirir. Bu, göyün bütün bölgələrindən dolayı mavi işığın gəlməsi ilə nəticələnir. Rayleigh səpələnməsi, səpələnmə hissəciklərinin kiçik ölçüsünə (parametrə ) sahib olduğu müxtəlif mühitlərdə işıq səpilməsinin baş verməsinin yaxşı bir yaxınlaşmasıdır.

Günəşdən gələn işığın bir hissəsi atmosferdəki qaz molekullarını və digər kiçik hissəcikləri dağıdır. Burada Rayleigh dağınıqlığı əsasən günəş işığının təsadüfi yerləşmiş hava molekulları ilə qarşılıqlı təsiri nəticəsində baş verir. Ətrafdakı səmaya parlaqlığını və rəngini verən bu dağınıq işıqdır. Daha əvvəl də bildirildiyi kimi, Rayleigh səpələnməsi dalğa uzunluğunun dördüncü gücü ilə tərs mütənasibdir, beləliklə daha qısa dalğa boyu bənövşəyi və mavi işıq daha uzun dalğa boylarından (sarı və xüsusilə qırmızı işıq) daha çox səpələnəcəkdir. Bununla birlikdə, Günəş, hər hansı bir ulduz kimi, öz spektrinə malikdir və buna görə də _{yuxarıdakı səpələnmə formulundakı I 0} sabit deyil, bənövşəyə düşür. Bundan əlavə, Yer atmosferindəki oksigen spektrin ultra-bənövşəyi bölgəsinin kənarındakı dalğa uzunluqlarını mənimsəyir. Solğun bir mavi kimi görünən ortaya çıxan rəng, əslində, əsasən mavi və yaşıl olan bütün səpələnmiş rənglərin qarışığıdır. Əksinə, günəşə baxarkən səpələnməmiş rənglər - qırmızı və sarı işıq kimi daha uzun dalğa uzunluqları birbaşa görünür və günəşin özünə bir az sarımsı bir rəng verir. Kosmosdan görünsə də, göy qara və günəş ağdır.

Günəşin qızartması üfüqdə olduqda daha da güclənir, çünki birbaşa ondan alınan işığın atmosferin daha çox hissəsindən keçməsi lazımdır. Effekt daha da artır, çünki günəş işığı atmosferin daha sıx olduğu yerin səthinə, daha sıx olduğu yerdən keçməlidir. Bu, qısa dalğa uzunluğunun (mavi) və orta dalğa uzunluğunun (yaşıl) işığının əhəmiyyətli bir hissəsini müşahidəçiyə aparan birbaşa yoldan çıxarır. Qalan dağınıq işıq bu səbəbdən daha çox dalğa uzunluğundadır və daha qırmızı görünür.

Səpələnmələrin bir hissəsi də sulfat hissəciklərindən ola bilər. Böyük Plinian püskürmələrindən sonra illərdir, göyün mavi tökümü, stratosfer qazlarının davamlı sulfat yükü ilə xüsusilə parlaq olur. Rəssam JMW Turnerin bəzi əsərləri canlı qırmızı rənglərini sağlığında Tambora dağının püskürməsinə borclu ola bilər.

İşıq çirkliliyi az olan yerlərdə, ayın işığı olan gecə səması da mavidir, çünki ay işığı günəş işığına əks olunur, ayın qəhvəyi rənginə görə rəng temperaturu bir qədər aşağı olur. Ay işığı olan göy mavi kimi qəbul edilmir, çünki aşağı işıq səviyyələrində insan görmə qabiliyyəti əsasən heç bir rəng qavrayışı yaratmayan çubuq hüceyrələrindən gəlir (Purkinje təsiri ). 

Amorf qatılarda

Rayleigh səpələnməsi eyni zamanda şüşə kimi amorf qatı maddələrdə dalğa səpilməsinin vacib bir mexanizmidir və aşağı və ya çox yüksək temperaturda eynəklərdə və dənəvər maddələrdə akustik dalğa söndürmə və fonon söndürülməsindən məsuldur.

Optik liflərdə

Rayleigh səpələnməsi optik liflərdə optik siqnalların səpilməsinin vacib bir hissəsidir. Silisium elyaflar, sıxlığı və qırılma göstəricisinin mikroskopik dəyişmələri olan eynəklər, düzensiz materialdır. Bunlar səpələnmiş işığa görə enerji itkisinə, aşağıdakı katsayı ilə səbəb olur:$$\alpha _{\text{scat}}={\frac {8\pi ^{3}}{3\lambda ^{4}}}n^{8}p^{2}kT_{\text{f}}\beta$$burada n qırılma indeksi, p şüşənin fotoelastik əmsalı, k Boltzmann sabitidir və β izotermik sıxılma qabiliyyətidir. T _f, qatılıq dalğalanmalarının materialda "dondurulduğu" temperaturu təmsil edən qondarma bir temperaturdur.

Məsaməli materiallarda

Da Rayleigh səpilmə opalescent şüşə: Bu tərəfdən mavi görünür, lakin narıncı işıq ilə işıq saçır.

Rayleigh tipli λ ⁻⁴ səpələnmə məsaməli materiallarla da sərgilənə bilər. Nanoporous materialların güclü optik səpilməsinə nümunə ola bilər. Məsamələr və sinterlənmiş alüminanın qatı hissələri arasındakı qırılma indeksindəki güclü kontrast çox güclü səpələnmə ilə nəticələnir və işıq orta hesabla hər beş mikrometrlik istiqamətini tamamilə dəyişir. Λ ⁻⁴ tipli saçılma nanoporous quruluşa (~ 70 ətrafında dar bir məsamə ölçüsü paylanmasına) səbəb olur. nm) monodispersiv alümina tozunu sinterləşdirməklə əldə edilir.

Həmçinin bax

• Fizika
• İşıq şüalanması

Xarici keçidlər

• Rayleigh səpilməsinin HyperFhysics təsviri
• Səma dildə göy rənginin tam fiziki izahı