Протягом історії люди відчували глибоке захоплення небом не лише під час споглядальних ночей, які провокують екзистенціальні роздуми, а й у денні години, коли воно представляє яскраву палітру кольорів. У якийсь момент нашого життя ми всі замислювалися, чому небо здається блакитним або чому воно стає помаранчевим і червоним під час заходу сонця. Спочатку це питання було вирішено лордом Релеєм, також відомим як Джон Вільям Стратт, математиком, який зробив це відкриття наприкінці 19 століття.
У цій статті ми збираємося пояснити вам, що Ефект Релея, його характеристика і чому небо блакитне.
Ефект Релея
Сонце випромінює широкий діапазон електромагнітного випромінювання, включаючи видиме світло, широко відоме як біле світло. Цікаво, що біле світло насправді є комбінацією всіх кольорів веселки, причому фіолетовий має найкоротшу довжину хвилі, а червоний – найдовшу. як Сонячне світло проходить через атмосферу, взаємодіючи з різними речовинами, такими як гази, тверді частинки та молекули води. Коли ці частинки менші десятої мікрометра, вони викликають розсіювання білого світла в усіх напрямках, з більшим акцентом на синьому світлі.
Цю перевагу синього світла можна пояснити коефіцієнтом дисперсії, який розраховується за формулою 1/λ4, де λ означає довжину хвилі. Оскільки фіолетове та синє світло мають найкоротшу довжину хвилі у видимому спектрі, вони створюють найвищий коефіцієнт, якщо підставити його у формулу, яка дорівнює . Це явище широко відоме як розсіювання Релея.
У результаті розсіяні промені перетинаються з частинками газу, які функціонують як відбивна поверхня, змушуючи їх знову згинатися та посилювати свою силу.
Чому небо блакитне?
Враховуючи наведену вище інформацію, можна очікувати, що небо буде виглядати фіолетовим, а не блакитним через коротшу довжину хвилі. Але це не так, тому що людське око не дуже чутливе до фіолетового кольору. Крім того, Видиме світло насправді містить більшу частку синього випромінювання, ніж фіолетове.
У випадках, коли розміри частинок перевищують довжину хвилі, диференційне розсіювання не відбувається. Натомість усі компоненти білого світла однаково розсіяні. Це явище пояснює білий вигляд хмар, оскільки краплі води, з яких вони складаються, перевищують десяту мікрометра в діаметрі. Однак, коли ці краплі води стають щільно ущільненими, світло не може пройти через них, що призводить до сіруватого вигляду, пов’язаного з великою хмарністю.
Однак слід визнати, що небо не зберігає постійний блакитний відтінок. Як результат, явище релеївського розсіювання не повністю пояснює наявність різних відтінків червоного під час сходу та заходу сонця. Однак цьому факту є пояснення.
Коли Сонце сідає та входить у фазу сутінків, його положення на горизонті змушує світло долати більшу відстань, щоб досягти нас, уже не будучи перпендикулярним. Ця зміна кута призводить до меншого падіння, внаслідок чого синє світло розсіюється, перш ніж досягти наших очей. Натомість, . Важливо відзначити, що релеївське розсіювання продовжує відбуватися, але в іншому місці в атмосфері, ніж там, де Сонце перебуває в зеніті.
історія
Протягом історії небо привертало нашу увагу як вдень, так і вночі. Він служив полотном для нашої уяви. природно, допитливість і наукові дослідження не були звільнені від цього захоплення. Як і з іншими повсякденними явищами, такими як зміна кольору листя або походження дощу, дослідники намагалися відкрити таємниці неба. Замість того, щоб зменшити його містичну привабливість, його відкриття лише поглибили наше розуміння та захоплення.
Під час своїх інфрачервоних експериментів у 1869 році Релей натрапив на несподіване відкриття: світло, розсіяне крихітними частинками, мало ледь помітний блакитний відтінок. Це змусило його припустити, що подібне розсіювання сонячного світла відповідає за блакитний колір неба. Однак він не зміг повністю пояснити, чому синє світло віддано перевагу або чому колір неба такий інтенсивний, виключивши атмосферний пил як єдине пояснення.
Його новаторська робота про колір і поляризацію світла з неба була опублікована в 1871 році. Його мета полягала в тому, щоб виміряти ефект Тиндаля в краплях води шляхом кількісного визначення присутності малих частинок і їх показників заломлення. Спираючись на попередній доказ електромагнітної природи світла Джеймса Клерка Максвелла, Релей у 1881 році показав, що його рівняння випливають з електромагнетизму. Розширюючи свої висновки в 1899 році, він поширив застосування на окремі молекули, замінивши терміни, пов’язані з об’ємом частинок і показниками заломлення, на терміни молекулярної поляризовності.
Дисперсія в пористих матеріалах
Пористі матеріали мають здатність виявляти релеївське розсіювання, яке слідує картині розсіювання λ-4. Це явище особливо помітно в нанопористих матеріалах, де існує значний контраст показника заломлення між порами та твердими частинами спеченого оксиду алюмінію. В результаті, світлорозсіювання стає неймовірно інтенсивним, змушуючи його змінювати напрям приблизно кожні п’ять мікрометрів.
Ця дивовижна поведінка дисперсії пояснюється унікальною нанопористою структурою, досягнутою завдяки процесу спікання, який включає використання монодисперсного порошку оксиду алюмінію для створення вузького розподілу розмірів пор, як правило, близько 70 нм.
