Rayleighův efekt

V průběhu historie lidé pociťovali hluboký obdiv k obloze, a to nejen během kontemplativních nocí, které vyvolávají existenciální úvahy, ale také během denního světla, kdy představuje živé spektrum barev. V určitém okamžiku našeho života jsme všichni přemýšleli, proč se nebe jeví jako modré nebo proč se při západu slunce mění na oranžové a červené tóny. Tuto otázku původně rozřešil lord Rayleigh, známý také jako John William Strutt, matematik, který tento objev učinil koncem 19. století.

V tomto článku si vysvětlíme Rayleighův jev , jeho vlastnosti a proč je obloha modrá.

Rayleighův efekt

Slunce vyzařuje širokou škálu elektromagnetického záření, včetně viditelného světla, běžně známého jako bílé světlo. Je zajímavé, že bílé světlo je ve skutečnosti kombinací všech barev duhy, přičemž fialová má nejkratší vlnovou délku a červená nejdelší. Sluneční světlo při průchodu atmosférou interaguje s různými látkami, jako jsou plyny, pevné částice a molekuly vody . Pokud jsou tyto částice menší než desetina mikrometru, způsobují rozptyl bílého světla všemi směry, s největším důrazem na modré světlo.

Tuto preferenci modrého světla lze vysvětlit disperzním koeficientem, který se vypočítá pomocí vzorce 1/λ4, kde λ představuje vlnovou délku. Protože fialové a modré světlo mají nejkratší vlnové délky ve viditelném spektru, produkují nejvyšší kvocient, když jsou dosazeny do vzorce, což je . Tento jev je běžně známý jako Rayleighův rozptyl.

V důsledku toho se rozptýlené paprsky protnou s částicemi plynu, které fungují jako odrazný povrch, což způsobí, že se znovu ohýbají a zesilují svou sílu.

Proč je nebe modré?

Vzhledem k výše uvedeným informacím by se dalo očekávat, že obloha se bude jevit spíše fialová než modrá kvůli její kratší vlnové délce. To však není pravda, protože lidské oko není na fialovou barvu příliš citlivé. Viditelné světlo navíc ve skutečnosti obsahuje vyšší podíl modrého záření než fialové.

V případech, kdy částice přesahují svou velikostí vlnovou délku, nedochází k diferenciálnímu rozptylu. Místo toho se všechny složky bílého světla rozptylují rovnoměrně. Tento jev vysvětluje bílý vzhled mraků, protože vodní kapičky, které je tvoří, mají průměr větší než desetinu mikrometru. Když se však tyto vodní kapičky zhustí, světlo jimi nemůže procházet , což má za následek šedavý vzhled spojený s rozsáhlou oblačností.

Je však třeba uznat, že obloha si neudrží stálý modrý odstín. V důsledku toho fenomén Rayleighova rozptylu plně nevysvětluje přítomnost různých odstínů červené při východu a západu slunce. Pro tuto skutečnost však existuje vysvětlení.

Jak Slunce zapadá a vstupuje do fáze soumraku, jeho poloha na obzoru způsobí, že světlo urazí větší vzdálenost, než se k nám dostane, a již není kolmé. Tato změna úhlu má za následek nižší dopad, což způsobuje, že se modré světlo rozptyluje dříve, než dosáhne našich očí. Místo toho, . Je důležité poznamenat, že Rayleighův rozptyl se nadále vyskytuje, ale na jiném místě v atmosféře, než kde je Slunce na svém zenitu.

historie

V průběhu dějin obloha poutávala naši pozornost ve dne i v noci. Sloužila jako plátno, po kterém se naše fantazie mohla toulat. Zvědavost a vědecké bádání samozřejmě nebyly této fascinace vyloučeny . Stejně jako u jiných každodenních jevů, jako je měnící se barva listí nebo původ deště, se vědci snažili rozluštit záhady oblohy. Jejich objevy spíše než aby zmenšily její mystické kouzlo, jen prohloubily naše chápání a obdiv.

Během svých infračervených experimentů v roce 1869 Rayleigh narazil na neočekávané zjištění: světlo rozptýlené drobnými částicemi mělo jemný modrý nádech. To ho vedlo ke spekulacím, že podobný rozptyl slunečního světla je zodpovědný za modrou barvu oblohy. Nedokázal však plně vysvětlit, proč bylo preferováno modré světlo nebo proč je barva oblohy tak intenzivní, přičemž jako jediné vysvětlení vyloučil atmosférický prach.

Jeho průlomová práce o barvě a polarizaci světla z oblohy byla publikována v roce 1871. Jeho cílem bylo změřit Tyndallův jev ve vodních kapkách kvantifikací přítomnosti malých částic a jejich indexů lomu. Na základě dřívějšího důkazu Jamese Clerka Maxwella o elektromagnetické povaze světla Rayleigh v roce 1881 ukázal, že jeho rovnice vycházejí z elektromagnetismu. Rozšířením svých poznatků v roce 1899 rozšířil aplikaci na jednotlivé molekuly a nahradil termíny týkající se objemů částic a indexů lomu termíny molekulární polarizace.

Disperze v porézních materiálech

Porézní materiály vykazují Rayleighův rozptyl, který sleduje rozptylový vzor λ-4. Tento jev je obzvláště patrný u nanoporézních materiálů, kde existuje významný kontrast v indexu lomu mezi póry a pevnými částmi slinutého oxidu hlinitého. V důsledku toho se rozptyl světla stává neuvěřitelně intenzivním, což způsobuje změnu jeho směru přibližně každých pět mikrometrů.

Toto pozoruhodné disperzní chování je přičítáno jedinečné nanoporézní struktuře dosažené procesem slinování, který zahrnuje použití monodisperzního prášku oxidu hlinitého k vytvoření úzké distribuce velikostí pórů, typicky kolem 70 nm.