Împrăștierea Rayleigh

Împrăștierea Rayleigh (pronunțată / ˈreɪli /, numită după fizicianul britanic laureat al premiului Nobel John William Strutt Rayleigh ) este împrăștierea elastică (sau difuzia) unei unde de lumină cauzată de particule mici în raport cu lungimea de undă a lungimii de undă în sine, care are loc de exemplu atunci când lumina trece printr-un mediu tulbure, în special gaze și lichide sau chiar solide cu impurități sau incluziuni. Din nou, împrăștierea Rayleigh în moleculele de aer este principalul motiv pentru care cerul apare albastru: azotul difuzează lumina albastră mult mai mult decât lumina roșie.

În special, această împrăștiere are loc prin radiații mai puțin energetice ale energiei de legare a electronilor cu atomul. În această stare, fotonul nu poate afecta structura internă a atomului și, astfel, energia sa nu se schimbă. Deoarece împrăștierea este elastică, radiația împrăștiată are aceeași frecvență (și lungime de undă) ca și cea incidentă. Radiațiile difuze se mai numesc și radiații Rayleigh .

Dispersia Rayleigh se obține teoretic ca o generalizare a împrăștierii Thomson : a doua este cea a unui foton incident pe un electron legat, în timp ce prima este aceea a unui foton incident pe un set de electroni legați (deci, un atom). ^[1]

Imprastierea particulelor mici

Cantitatea de lumină care este împrăștiată prin împrăștierea Rayleigh depinde atât de mărimea particulei, cât și de lungimea de undă a luminii. Coeficientul de împrăștiere și, prin urmare, intensitatea luminii împrăștiate, variază invers cu a patra putere a lungimii de undă, conform legii lui Rayleigh , care se aplică particulelor cu diametru mult mai mic decât lungimea de undă a luminii. Răspândirea de particule mai mari, aproximativ o zecime din lungimea de undă a luminii și în sus, este acoperită de teoria Mie .

Când o rază de lumină de lungime de undă λ și intensitate I ₀ lovește o singură particulă mică, intensitatea luminii împrăștiate de aceasta ( I ) este dată de lege:

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}

{\ displaystyle 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 }} \ dreapta) ^ {6}}

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}} \ dreapta) ^ {6}

unde R este distanța particulei, angle unghiul de difuzie, n indicele de refracție al particulei și d este diametrul particulei.

Distribuția unghiulară a dispersiei Rayleigh este determinată de termenul (1 + cos ² θ), care este un coeficient simetric față de planul normal la direcția incidentă a luminii; prin urmare, lumina împrăștiată înainte are aceeași intensitate ca lumina împrăștiată înapoi. Prin integrarea pe o sferă care înconjoară particula este posibil să se obțină secțiunea transversală a împrăștierii Rayleigh, σ _s :

\sigma _{s}={\frac {2\pi ^{5}}{3}}{\frac {d^{6}}{\lambda ^{4}}}\left({\frac {n^{2}-1}{n^{2}+2}}\right)^{2}

{\ displaystyle \ sigma _ {s} = {\ frac {2 \ pi ^ {5}} {3}} {\ frac {d ^ {6}} {\ lambda ^ {4}}} \ left ({\ frac {n ^ {2} -1} {n ^ {2} +2}} \ right) ^ {2}}

\ sigma _ {s} = {\ frac {2 \ pi ^ {5}} {3}} {\ frac {d ^ {6}} {\ lambda ^ {4}}} \ left ({\ frac {n ^ {2} -1} {n ^ {2} +2}} \ dreapta) ^ {2}

Coeficientul de dispersie Rayleigh pentru un grup de particule inconsistente distribuite aleatoriu, ca într-un gaz, este numărul de particule pe unitate de volum N înmulțit cu secțiunea transversală.

Rayleigh se împrăștie din molecule

Teoria lui Rayleigh se aplică și, mai ales, moleculelor unice, tratate ca particule punctiforme. În acest caz nu vorbim despre indicele de refracție sau diametrul particulei, ci despre polarizabilitatea sa α , care descrie cât de mult se vor deplasa sarcinile electrice ale moleculei ca răspuns la câmpul electric oscilant al luminii, generând la rândul său o undă electromagnetică mică.sferică. În acest caz, intensitatea de împrăștiere Rayleigh pentru o singură moleculă este dată de: ^[2]

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

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

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

Coeficientul total de împrăștiere (secțiunea transversală) a unei singure molecule de azot, care este componenta principală a atmosferei, are o valoare de aproximativ 5,1 x 10 ⁻³¹ m ² la o lungime de undă de 532 nm (lumină verde). ^[3] Aceasta implică faptul că o fracțiune de lumină de aproximativ ^10-5 de azot va fi difuzată la presiunea atmosferică pentru fiecare metru de cale.

Culoarea albastră a cerului

Dependența puternică a difuziei de inversul lungimii de undă ( $1/\lambda ^{4}$ ${\ displaystyle 1 / \ lambda ^ {4}}$ ${\ displaystyle 1 / \ lambda ^ {4}}$ ), implică faptul că lumina albastră este împrăștiată mult mai mult decât lumina roșie. Prin urmare, în atmosferă, „fotonii albastri” ^[4] sunt împrăștiați când valul traversează cerul și acesta este motivul pentru care puteți vedea lumina albastră provenind din toate regiunile cerului, în timp ce ceilalți fotoni derivă mai direct din soare. . Rețineți că, în ciuda utilizării termenului de foton, teoria împrăștierii Rayleigh a fost dezvoltată cu electromagnetism clasic, fără a recurge la mecanica cuantică .

Din același motiv, difuzia Rayleigh este responsabilă de culoarea roșie pe care o iau obiectele, norii etc. la amurg sau în zori. De fapt, în aceste condiții razele solare trec printr-o grosime mai mare a atmosferei terestre și, prin urmare, întâlnesc un număr mai mare de centre difuzoare, astfel încât nu numai fotonii albastri, ci și cei galbeni sunt difuzați. Rezultatul este că lumina soarelui este lipsită de toate componentele spectrului, cu excepția roșu. Cu toate acestea, cerul rămâne albastru datorită numărului mare de fotoni albastri împrăștiați întotdeauna în atmosfera superioară.

În acest moment este firesc să ne întrebăm de ce cerul este mai degrabă albastru decât violet, deoarece, conform legii lui Rayleigh și dependenței inverse de a patra putere a lungimii de undă, ar fi firesc să ne așteptăm la un cer de această culoare. Unul dintre factori este dat de faptul că ochiul uman se dovedește a fi mai sensibil la lungimea de undă corespunzătoare luminii albastre decât la cea violetă, având fotoreceptori care au o sensibilitate mai mare pentru această culoare. ^[5] În plus, lumina de la soare este compusă din mai mulți fotoni în albastru decât în violet. Culoarea „cerească” pe care o vedem derivă, prin urmare, din suprapunerea (o „ medie ponderată ”) a culorilor care ne vin din cer, în special violet, albastru și, într-o măsură mai mică, verde.

În cultura de masă

În 2014, grupul muzical Fujiya & Miyagi a lansat albumul Artificial Sweeteners , care conținea o piesă intitulată Rayleigh scattering .

Notă

^ Claudio Bonati, Câteva note pentru fizică 3 .
^ Rayleigh împrăștiat la Hiperfizică
^ Maarten Sneep și Wim Ubachs, măsurarea directă a secțiunii transversale de împrăștiere Rayleigh în diferite gaze . Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 92, 293 (2005).
^ De fapt, nu există „fotoni albaștri”. Albastrul este pur și simplu una dintre subdiviziunile convenționale ale spectrului electromagnetic, în sine continuu, concepute pentru a-și limita continuitatea.
^ De ce este cerul purpuriu? ( PDF ), pe lsop.colostate.edu , Colorado State University. Adus la 30 iulie 2019 (arhivat din original la 15 septembrie 2015) .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre împrăștierea lui Rayleigh

linkuri externe

( RO ) IUPAC Gold Book, „Rayleigh scattering” , pe goldbook.iupac.org .

Portalul chimiei

Portalul de fizică

[1] Claudio Bonati, Câteva note pentru fizică 3 .

[2] Rayleigh împrăștiat la Hiperfizică

[3] Maarten Sneep și Wim Ubachs, măsurarea directă a secțiunii transversale de împrăștiere Rayleigh în diferite gaze . Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 92, 293 (2005).

[4] De fapt, nu există „fotoni albaștri”. Albastrul este pur și simplu una dintre subdiviziunile convenționale ale spectrului electromagnetic, în sine continuu, concepute pentru a-și limita continuitatea.

[5] De ce este cerul purpuriu? ( PDF ), pe lsop.colostate.edu , Colorado State University. Adus la 30 iulie 2019 (arhivat din original la 15 septembrie 2015) .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]