Per visą istoriją žmonės jautė gilų susižavėjimą dangumi ne tik kontempliatyviomis naktimis, kurios sukelia egzistencinius apmąstymus, bet ir šviesiu paros metu, kai dangus suteikia ryškų spalvų spektrą. Kažkuriuo savo gyvenimo momentu visi susimąstėme, kodėl dangus atrodo mėlynas arba kodėl saulėlydžio metu jis nusidažo oranžiniais ir raudonais tonais. Šį klausimą iš pradžių išsprendė lordas Rayleighas, dar žinomas kaip Johnas Williamas Struttas, matematikas, padaręs šį atradimą XIX amžiaus pabaigoje.
Šiame straipsnyje paaiškinsime Rayleigh efektą , jo charakteristikas ir kodėl dangus yra mėlynas.
Rayleigh efektas
Saulė skleidžia platų elektromagnetinės spinduliuotės spektrą, įskaitant matomą šviesą, paprastai vadinamą balta šviesa. Įdomu tai, kad balta šviesa iš tikrųjų yra visų vaivorykštės spalvų derinys, o violetinė turi trumpiausią bangos ilgį, o raudona – ilgiausią. Saulės šviesai keliaujant per atmosferą, ji sąveikauja su įvairiomis medžiagomis, tokiomis kaip dujos, kietosios dalelės ir vandens molekulės . Kai šios dalelės yra mažesnės nei viena dešimtoji mikrometro dalis, jos išsklaido baltą šviesą visomis kryptimis, o labiausiai akcentuojama mėlyna šviesa.
Šią pirmenybę mėlynai šviesai galima paaiškinti dispersijos koeficientu, kuris apskaičiuojamas pagal formulę 1/λ4, kur λ reiškia bangos ilgį. Kadangi violetinė ir mėlyna šviesa turi trumpiausius bangos ilgius matomame spektre, jos sukuria didžiausią koeficientą, kai yra pakeistos į formulę, kuri yra . Šis reiškinys paprastai žinomas kaip Rayleigh sklaida.
Dėl to išsklaidyti spinduliai susikerta su dujų dalelėmis, kurios veikia kaip atspindintis paviršius, todėl jos vėl sulinksta ir sustiprina savo jėgą.
Kodėl dangus mėlynas?
Atsižvelgiant į aukščiau pateiktą informaciją, galima tikėtis, kad dangus dėl trumpesnio bangos ilgio atrodys violetinis, o ne mėlynas. Tačiau taip nėra, nes žmogaus akis nėra labai jautri violetinei spalvai. Be to, matomoje šviesoje iš tikrųjų yra didesnė mėlynos bangos ilgio spinduliuotės dalis nei violetinėje.
Tais atvejais, kai dalelės viršija bangos ilgį, diferencinė sklaida nevyksta. Vietoj to, visi baltos šviesos komponentai yra išsklaidyti vienodai. Šis reiškinys paaiškina baltą debesų išvaizdą, nes juos sudarančių vandens lašelių skersmuo yra didesnis nei dešimtoji mikrometro dalis. Tačiau, kai šie vandens lašeliai tampa tankiai suspausti, šviesa negali pro juos prasiskverbti , todėl debesys atrodo pilkšvai, o tai siejama su didele debesuotumu.
Tačiau reikia pripažinti, kad dangus neišlaiko pastovaus mėlyno atspalvio. Dėl to Rayleigh sklaidos reiškinys nevisiškai paaiškina įvairių raudonos spalvos atspalvių buvimą saulėtekio ir saulėlydžio metu. Tačiau šiam faktui yra paaiškinimas.
Saulei leidžiantis ir įeinant į prieblandos fazę, jos padėtis horizonte lemia, kad šviesa nukeliauja didesnį atstumą, kad pasiektų mus, nebebūdama statmena. Dėl šio kampo pasikeitimo dažnis yra mažesnis, todėl mėlyna šviesa išsisklaido dar nepasiekdama mūsų akių. Vietoj to,. Svarbu pažymėti, kad Rayleigh sklaida ir toliau vyksta, tačiau kitoje atmosferos vietoje nei Saulė yra zenite.
istorija
Per visą istoriją dangus traukė mūsų dėmesį tiek dieną, tiek naktį. Jis tarnavo kaip drobė mūsų vaizduotei klajoti. Natūralu, kad smalsumas ir moksliniai tyrimai nebuvo išimtis iš šio žavesio . Kaip ir kitų kasdienių reiškinių, tokių kaip besikeičiančios lapų spalvos ar lietaus kilmė, atveju, tyrėjai siekė įminti dangaus paslaptis. Užuot menkinę jo mistinį patrauklumą, jų atradimai tik pagilino mūsų supratimą ir susižavėjimą.
Per savo infraraudonųjų spindulių eksperimentus 1869 m. Rayleigh'as aptiko netikėtą radinį: mažų dalelių išsklaidyta šviesa turėjo subtilų mėlyną atspalvį. Tai paskatino jį spėlioti, kad panašus saulės šviesos sklaidymas buvo atsakingas už mėlyną dangaus spalvą. Tačiau jis negalėjo iki galo paaiškinti, kodėl pirmenybė teikiama mėlynai šviesai arba kodėl dangaus spalva tokia intensyvi, atmetęs atmosferos dulkes kaip vienintelį paaiškinimą.
Jo novatoriškas darbas apie dangaus šviesos spalvą ir poliarizaciją buvo paskelbtas 1871 m. Jo tikslas buvo išmatuoti Tyndall efektą vandens lašeliuose, kiekybiškai įvertinant mažų dalelių buvimą ir jų lūžio rodiklius. Remdamasis ankstesniu Jameso Clerko Maxwello įrodymu apie šviesos elektromagnetinę prigimtį, Rayleighas 1881 m. parodė, kad jo lygtys kilo iš elektromagnetizmo. Išplėsdamas savo atradimus 1899 m., jis išplėtė taikymą atskiroms molekulėms, pakeisdamas dalelių tūrio ir lūžio rodiklių terminus molekulinio poliarizavimo terminais.
Dispersijos akytose medžiagose
Porėtos medžiagos pasižymi Rayleigh sklaida, kuri atitinka λ-4 sklaidos modelį. Šis reiškinys ypač akivaizdus nanoporinėse medžiagose, kur yra didelis lūžio rodiklio kontrastas tarp porų ir kietųjų sukepinto aliuminio oksido dalių. Dėl to šviesos sklaida tampa neįtikėtinai intensyvi, todėl ji keičia kryptį maždaug kas penkis mikrometrus.
Šis puikus dispersijos elgesys priskiriamas unikaliai nanoporinei struktūrai, gautai sukepinimo procese, kai naudojami monodispersiniai aliuminio oksido milteliai, kad būtų sukurtas siauras porų dydžių pasiskirstymas, paprastai apie 70 nm.
