През цялата история хората са изпитвали дълбоко възхищение от небето, не само по време на съзерцателни нощи, които провокират екзистенциални размисли, но и през дневните часове, когато то представя жизнена гама от цветове. В някакъв момент от живота си всички сме се чудили защо небето изглежда синьо или защо става оранжево и червено по време на залез. Този въпрос първоначално е разрешен от лорд Рейли, известен също като Джон Уилям Струт, математик, който прави това откритие в края на 19 век.
В тази статия ще обясним ефекта на Рейли , неговите характеристики и защо небето е синьо.
Ефект на Рейли
Слънцето излъчва широк спектър от електромагнитно лъчение, включително видима светлина, известна като бяла светлина. Интересното е, че бялата светлина всъщност е комбинация от всички цветове на дъгата, като виолетовата има най-късата дължина на вълната, а червената - най-дългата. Докато слънчевата светлина преминава през атмосферата, тя взаимодейства с различни вещества като газове, твърди частици и водни молекули . Когато тези частици са по-малки от една десета от микрометъра, те карат бялата светлина да се разсейва във всички посоки, с най-голям акцент върху синята светлина.
Това предпочитание към синята светлина може да се обясни с коефициента на дисперсия, който се изчислява по формулата 1/λ4, където λ представлява дължината на вълната. Тъй като виолетовата и синята светлина имат най-късите дължини на вълните във видимия спектър, те произвеждат най-високия коефициент, когато се заместят във формулата, която е . Това явление е известно като Релеево разсейване.
В резултат на това разсеяните лъчи се пресичат с газовите частици, които функционират като отразяваща повърхност, което ги кара да се огъват отново и да усилват силата си.
Защо небето е синьо?
Предвид гореспоменатата информация, човек би очаквал небето да изглежда по-скоро виолетово, отколкото синьо, поради по-късата му дължина на вълната. Това обаче не е така, защото човешкото око не е много чувствително към виолетовия цвят. Освен това, видимата светлина всъщност съдържа по-висок дял синьо лъчение с дължини на вълните, отколкото виолетовата.
В случаите, когато частиците превишават дължината на вълната по размер, не се наблюдава диференциално разсейване. Вместо това, всички компоненти на бялата светлина се разсейват еднакво. Това явление обяснява белия вид на облаците, тъй като водните капчици, които ги съставят, са с диаметър по-голям от една десета от микрометъра. Когато обаче тези водни капчици станат плътно опаковани, светлината не може да премине през тях , което води до сивкав вид, свързан с обширна облачна покривка.
Трябва обаче да се признае, че небето не поддържа постоянен син оттенък. В резултат на това явлението Релеево разсейване не обяснява напълно наличието на различни нюанси на червеното по време на изгрев и залез. Този факт обаче си има обяснение.
Когато Слънцето залязва и навлиза във фазата на здрача, позицията му на хоризонта кара светлината да изминава по-голямо разстояние, за да достигне до нас, като вече не е перпендикулярна. Тази промяна в ъгъла води до по-малко падане, което води до разсейване на синята светлина, преди да достигне очите ни. Вместо това,. Важно е да се отбележи, че Rayleigh разсейването продължава да се случва, но на различно място в атмосферата от това, където Слънцето е в своя зенит.
история
През цялата история небето е пленявало вниманието ни както денем, така и нощем. То е служило като платно, по което въображението ни да се скита. Естествено, любопитството и научните изследвания не са били изключени от това очарование . Както и при други ежедневни явления, като например променящите се цветове на листата или произхода на дъжда, изследователите са се стремили да разгадаят мистериите на небето. Вместо да намалят мистичната му привлекателност, техните открития само са задълбочили нашето разбиране и възхищение.
По време на своите инфрачервени експерименти през 1869 г. Рейли се натъква на неочаквано откритие: светлината, разпръсната от малки частици, има фин син оттенък. Това го накарало да предположи, че подобно разсейване на слънчевата светлина е отговорно за синия цвят на небето. Той обаче не можа да обясни напълно защо синята светлина е предпочитана или защо цветът на небето е толкова интензивен, изключвайки атмосферния прах като единственото обяснение.
Неговата новаторска работа върху цвета и поляризацията на светлината от небето е публикувана през 1871 г. Неговата цел е да измери ефекта на Тиндал във водни капки чрез количествено определяне на наличието на малки частици и техните индекси на пречупване. Въз основа на по-ранното доказателство на Джеймс Клерк Максуел за електромагнитната природа на светлината, Рейли показа през 1881 г., че неговите уравнения произтичат от електромагнетизма. Разширявайки откритията си през 1899 г., той разшири приложението до отделни молекули, заменяйки термините, свързани с обемите на частиците и индексите на пречупване, с термини за молекулярна поляризуемост.
Дисперсия в порести материали
Порестите материали проявяват Рейлиево разсейване, което следва λ-4 модел на разсейване. Това явление е особено очевидно при нанопорестите материали, където има значителен контраст в коефициента на пречупване между порите и твърдите части на синтерования алуминиев оксид. В резултат на това разсейването на светлината става изключително интензивно, което я кара да променя посоката си приблизително на всеки пет микрометра.
Това забележително дисперсионно поведение се дължи на уникалната нанопореста структура, постигната чрез процеса на синтероване, който включва използването на монодисперсивен алуминиев прах за създаване на тясно разпределение на размерите на порите, обикновено около 70 nm.
