A történelem során az emberi lények mély csodálatot érzett az égbolt iránt, nemcsak az egzisztenciális elmélkedéseket kiváltó elmélkedő éjszakákon, hanem a nappali órákban is, amikor élénk színspektrumot mutat be. Életünk egy pontján mindannyian elgondolkodtunk azon, hogy miért tűnik kéknek az égbolt, vagy miért válik narancssárgává és pirossá naplementekor. Ezt a kérdést eredetileg Lord Rayleigh, más néven John William Strutt, egy matematikus oldotta meg, aki a 19. század végén tette ezt a felfedezést.
Ebben a cikkben elmagyarázzuk Önnek a Rayleigh-effektus, jellemzői és miért kék az ég.
Rayleigh-effektus
A Nap elektromágneses sugárzás széles skáláját bocsátja ki, beleértve a látható fényt, amelyet fehér fénynek is neveznek. Érdekes módon a fehér fény valójában a szivárvány összes színének kombinációja, a lila a legrövidebb hullámhossz, a vörös pedig a leghosszabb. Mint A napfény áthalad a légkörön, kölcsönhatásba lépve különféle anyagokkal, például gázokkal, szilárd részecskékkel és vízmolekulákkal. Ha ezek a részecskék kisebbek, mint egy tized mikrométer, a fehér fény szóródását okozzák minden irányba, nagyobb hangsúlyt fektetve a kék fényre.
A kék fénynek ez a preferenciája a diszperziós együtthatóval magyarázható, amelyet az 1/λ4 képlettel számítanak ki, ahol λ a hullámhosszt jelenti. Mivel az ibolya és a kék fény hullámhossza a legrövidebb a látható spektrumban, ezek adják a legnagyobb hányadost, ha behelyettesítjük a képletbe, ami . Ezt a jelenséget Rayleigh-szórásnak nevezik.
Ennek eredményeként a szórt sugarak metszik egymást a visszaverő felületként funkcionáló gázrészecskékkel, amitől azok ismét meghajlanak és felerősítik erejüket.
Miért kék az ég?
Figyelembe véve a fent említett információkat, arra számíthatunk, hogy az égbolt rövidebb hullámhossza miatt kék helyett lilának tűnik. Ez azonban nem így van, mert az emberi szem nem túl érzékeny az ibolya színre. Kívül, A látható fény valójában nagyobb arányban tartalmaz kék hullámhosszú sugárzást, mint az ibolya.
Azokban az esetekben, amikor a részecskék mérete meghaladja a hullámhosszt, differenciális szórás nem következik be. Ehelyett a fehér fény minden összetevője egyformán szétszóródik. Ez a jelenség magyarázza a felhők fehér megjelenését, mivel az őket alkotó vízcseppek átmérője meghaladja a tized mikrométert. Amikor azonban ezek a vízcseppek sűrűn összetömörödnek, fény nem tud átjutni rajtuk, ami a kiterjedt felhőtakaráshoz társuló szürkés megjelenést eredményez.
Fel kell ismerni azonban, hogy az égbolt nem tart fenn állandó kék árnyalatot. Ennek eredményeként a Rayleigh-szórás jelensége nem magyarázza teljes mértékben a vörös különböző árnyalatainak jelenlétét napkelte és napnyugta idején. Ennek a ténynek azonban megvan a magyarázata.
Ahogy a Nap lenyugszik, és belép a szürkületi fázisba, a horizonton elfoglalt helyzete miatt a fény nagyobb távolságot tesz meg, hogy elérjen bennünket, és már nem merőleges. Ez a szögváltozás alacsonyabb beesést eredményez, aminek következtében a kék fény szétszóródik, mielőtt elérné a szemünket. Ehelyett, . Fontos megjegyezni, hogy a Rayleigh-szórás továbbra is előfordul, de a légkörön belül más helyen, mint ahol a Nap a zenitjén van.
történelem
A történelem során az égbolt lekötötte figyelmünket nappal és éjszaka is. Vászonként szolgált képzeletünk vándorlásához. Természetesen, a kíváncsiság és a tudományos kutatás nem mentesült e bűvölet alól. Más hétköznapi jelenségekhez hasonlóan, mint például a levelek színének változása vagy az eső eredete, a kutatók megpróbálták feltárni az égbolt rejtelmeit. Ahelyett, hogy csökkentették volna misztikus vonzerejét, felfedezései csak elmélyítették megértésünket és csodálatunkat.
1869-ben végzett infravörös kísérletei során Rayleigh váratlan leletre bukkant: az apró részecskék által szórt fénynek finom kék árnyalata volt. Ez arra késztette, hogy feltételezze, hogy a napfény hasonló szóródása felelős az ég kék színéért. Azt azonban nem tudta teljes mértékben megmagyarázni, hogy miért részesítették előnyben a kék fényt, vagy miért olyan intenzív az ég színe, kizárva a légköri port, mint az egyetlen magyarázatot.
1871-ben jelent meg úttörő munkája az égből érkező fény színéről és polarizációjáról. Célja a Tyndall-effektus mérése volt vízcseppekben a kis részecskék jelenlétének és törésmutatóinak számszerűsítésével. James Clerk Maxwell a fény elektromágneses természetére vonatkozó korábbi bizonyítékaira építve Rayleigh 1881-ben kimutatta, hogy egyenletei az elektromágnesességből következnek. Megállapításait 1899-ben kiterjesztve az alkalmazást az egyes molekulákra is kiterjesztette, a részecsketérfogatra és a törésmutatókra vonatkozó kifejezéseket a molekuláris polarizálhatóság fogalmaira cserélve.
Diszperzió porózus anyagokban
A porózus anyagok képesek Rayleigh-típusú szórást mutatni, amely λ-4 szórási mintát követ. Ez a jelenség különösen nyilvánvaló a nanopórusos anyagoknál, ahol jelentős kontraszt van a pórusok és a szinterezett alumínium-oxid szilárd részei között a törésmutatóban. Ennek eredményeként a fényszórás hihetetlenül intenzívvé válik, amitől körülbelül öt mikrométerenként irányt változtat.
Ez a figyelemre méltó diszperziós viselkedés a szinterezési eljárással elért egyedülálló nanopórusos szerkezetnek tulajdonítható, amely monodiszperzív alumínium-oxid por felhasználásával a pórusméretek szűk eloszlását eredményezi, jellemzően 70 nm körül.
