Rayleigh, der sich genannt nach dem britischen Physiker Herr Rayleigh zerstreut, ist die elastische Lichtstreuung oder andere elektromagnetische Radiation durch Partikeln, die viel kleiner sind als die Wellenlänge des Lichtes. Die Partikeln können individuelle Atome oder Moleküle sein. Es kann vorkommen, wenn Licht durch durchsichtige Festkörper und Flüssigkeiten reist, aber in Benzin am prominentesten gesehen wird. Rayleigh, der sich zerstreut, ist eine Funktion der elektrischen Polarisierbarkeit der Partikeln.

Das Zerstreuen von Rayleigh des Sonnenlichtes in der Atmosphäre verursacht weitschweifige Himmel-Radiation, die der Grund für die blaue Farbe des Himmels und den gelben Ton der Sonne selbst ist.

Das Zerstreuen durch Partikeln, die dem ähnlich sind oder größer sind als die Wellenlänge des Lichtes, wird normalerweise durch die Theorie von Mie, die getrennte Dipolannäherung und anderen rechenbetonten Techniken behandelt. Das Zerstreuen von Rayleigh gilt für Partikeln, die in Bezug auf Wellenlängen des Lichtes klein sind, und die (d. h. mit einem Brechungsindex in der Nähe von 1) optisch "weich" sind. Andererseits gilt Anomale Beugungstheorie für optisch weiche, aber größere Partikeln.

Kleine Größe-Parameter-Annäherung

Die Größe einer sich zerstreuenden Partikel wird durch das Verhältnis x von seiner charakteristischen Dimension r und Wellenlänge λ parametrisiert:

Das Zerstreuen von Rayleigh kann als das Zerstreuen im kleinen Größe-Parameter-Regime definiert werden. Das Zerstreuen von größeren kugelförmigen Partikeln wird durch die Theorie von Mie für einen willkürlichen Größe-Parameter x erklärt. Für kleinen x nimmt die Theorie von Mie zur Annäherung von Rayleigh ab.

Der Betrag von Rayleigh, der sich zerstreut, der für einen Lichtstrahl vorkommt, hängt von der Größe der Partikeln und der Wellenlänge des Lichtes ab. Spezifisch ändert sich die Intensität des gestreuten Lichtes als die sechste Macht der Partikel-Größe, und ändert sich umgekehrt mit der vierten Macht der Wellenlänge.

Die Intensität I des Lichtes, das durch eine einzelne kleine Partikel von einem Balken des unpolarisierten Lichtes der Wellenlänge λ und Intensität gestreut ist, wird durch mich gegeben:

wo R die Entfernung zur Partikel ist, ist θ der sich zerstreuende Winkel, n ist der Brechungsindex der Partikel, und d ist das Diameter der Partikel.

Der Rayleigh sich zerstreuender Koeffizient für eine Gruppe von sich zerstreuenden Partikeln ist die Zahl von Partikeln pro Einheitszeiten des Bands N der Querschnitt. Als mit allen Welle-Effekten, für das zusammenhanglose Zerstreuen der gestreuten Mächte tragen arithmetisch bei, während für das zusammenhängende Zerstreuen solcher, als ob die Partikeln sehr in der Nähe von einander sind, die Felder arithmetisch beitragen und die Summe quadratisch gemacht werden muss, um die gestreute Gesamtmacht zu erhalten.

Von Molekülen

Rayleigh, der sich auch zerstreut, kommt von individuellen Molekülen vor. Hier ist das Zerstreuen wegen der molekularen Polarisierbarkeit α, der beschreibt, wie viel die elektrischen Anklagen auf dem Molekül in einem elektrischen Feld bewegen werden. In diesem Fall wird Rayleigh, der Intensität für eine einzelne Partikel streut, durch gegeben

Der Betrag von Rayleigh, der sich von einer einzelnen Partikel zerstreut, kann auch als eine böse Abteilung σ ausgedrückt werden. Zum Beispiel lässt der Hauptbestandteil der Atmosphäre, Stickstoffs, Rayleigh Abteilung an einer Wellenlänge von 532 nm (grünes Licht) durchqueren. Das bedeutet das an atmosphärischem

Druck über einen Bruchteil werden 10 des Lichtes für jeden Meter des Reisens gestreut.

Die starke Wellenlänge-Abhängigkeit des Zerstreuens (~ λ) bedeutet, dass kürzer (blaue) Wellenlängen stärker gestreut werden als längere (rote) Wellenlängen. Das läuft auf das indirekte blaue Licht hinaus, das aus allen Gebieten des Himmels kommt. Das Zerstreuen von Rayleigh ist eine gute Annäherung der Weise, auf die das leichte Zerstreuen innerhalb von verschiedenen Medien vorkommt, für die sich zerstreuende Partikeln einen kleinen Größe-Parameter haben.

Grund für die blaue Farbe des Himmels

Ein Teil des Lichtes, das aus den Sonne-Streuungen von Molekülen und anderen kleinen Partikeln in der Atmosphäre kommt. Es ist dieses gestreute Licht, das dem Himmel seine Helligkeit und seine Farbe gibt. Wie vorher erklärt, ist das Zerstreuen von Rayleigh zur vierten Macht der Wellenlänge umgekehrt proportional, so dass sich kürzere Wellenlänge violettes und blaues Licht mehr zerstreuen wird als die längeren Wellenlängen (gelber und besonders roter Licht). Die resultierende Farbe, die wie ein Blaßblau erscheint, ist wirklich eine Mischung aller gestreuten Farben, hauptsächlich blau und grün. Violett, obwohl stark gestreut, ist ein geringer Bestandteil des Sonnenspektrums und wird durch das menschliche Auge weniger effizient entdeckt. Umgekehrt, zur Sonne flüchtig blickend, sind die Farben, die weg — die längeren Wellenlängen wie rotes und gelbes Licht nicht gestreut wurden — direkt sichtbar, der Sonne selbst einen ein bisschen gelblichen Farbton gebend. Angesehen vom Weltraum, jedoch, ist der Himmel schwarz, und die Sonne ist weiß.

Das Röten des Sonnenlichtes wird verstärkt, wenn die Sonne in der Nähe vom Horizont ist, weil das Volumen von Luft, durch die Sonnenlicht gehen muss, bedeutsam größer ist als, wenn die Sonne im Himmel hoch ist. Der Rayleigh sich zerstreuende Wirkung wird deshalb vergrößert, eigentlich das ganze blaue Licht vom direkten Pfad bis den Beobachter entfernend. Das restliche ungestreute Licht ist größtenteils einer längeren Wellenlänge, und scheint deshalb, orange zu sein.

Rayleigh, der sich in erster Linie zerstreut, kommt durch die Wechselwirkung des Lichtes mit Luftmolekülen vor. Oder, aus einem rein makroskopischen Gesichtspunkt, kommt blauer Himmel aus mikroskopischen Dichte-Schwankungen, sich aus der zufälligen Bewegung von Molekülen ergebend, die die Luft zusammensetzen. Ein Gebiet höher oder niedrigere Dichte hat einen ein bisschen verschiedenen Brechungsindex vom Umgebungsmedium, und deshalb handelt es wie eine kurzlebige Partikel, die Licht in zufälligen Richtungen streuen kann. Kleinere Gebiete schwanken mehr als größere, und, da kurze Wellenlängen durch kleine Gebiete mehr gestört werden als längere Wellenlängen, werden sie mehr gestreut.

Etwas vom Zerstreuen kann auch von Sulfat-Partikeln sein. Seit Jahren nach großen Ausbrüchen von Plinian wird der blaue Wurf des Himmels namentlich wegen der beharrlichen Sulfat-Last des stratosphärischen Benzins erhellt.

In Positionen mit wenig leichter Verschmutzung ist der mondbeschienene Nachthimmel auch blau, weil Mondlicht widerspiegeltes Sonnenlicht mit einer ein bisschen niedrigeren Farbtemperatur wegen der bräunlichen Farbe des Monds ist. Der mondbeschienene Himmel wird als blau jedoch nicht wahrgenommen, weil am niedrigen leichten Niveau-Menschen Vision hauptsächlich aus Stange-Zellen kommt, die keine Farbenwahrnehmung erzeugen.

In Glasfaserleitern

Das Zerstreuen von Rayleigh ist ein wichtiger Bestandteil des Zerstreuens von optischen Signalen in Glasfaserleitern. Kieselerde-Fasern sind unordentliche Materialien, so ändert sich ihre Dichte auf einer mikroskopischen Skala. Die Dichte-Schwankungen verursachen Energieverlust wegen des gestreuten Lichtes mit dem folgenden Koeffizienten:

wo n der Brechungsindex ist, der photoelastische Koeffizient des Glases ist, Boltzmann unveränderlich ist, und die isothermische Verdichtbarkeit ist. T ist eine ausgedachte Temperatur, die Temperatur vertretend, bei der die Dichte-Schwankungen im Material "eingefroren" werden.

In porösen Materialien

Das λ-Rayleigh-Typ-Zerstreuen kann auch durch poröse Materialien ausgestellt werden. Ein Beispiel ist das starke optische Zerstreuen durch nanoporous Materialien. Die starke Unähnlichkeit im Brechungsindex zwischen Poren und festen Teilen von sintered Tonerde läuft auf das sehr starke Zerstreuen mit dem Licht hinaus, das völlig Richtung jeder 5 Mikrometer durchschnittlich ändert. Das λ-Type-Zerstreuen wird durch die nanoporous Struktur (ein schmaler Porengröße-Vertrieb ungefähr ~70 nm) erhalten durch sintering monodispersive Tonerde-Puder verursacht.

Siehe auch

• Rayleigh Himmel-Modell
• Rayleigh, der verwelkt
• Ricean, der verwelkt
• Raman, der sich zerstreut
• Optisches Phänomen
• Dynamisches Licht, das sich zerstreut
• Wirkung von Tyndall
• Kritisches Opalisieren
• Marian Smoluchowski
• Rayleigh Kriterium
• Luftperspektive
• C.F. Bohren, D. Huffman, Absorption und Lichtstreuung durch kleine Partikeln, John Wiley, New York 1983. Enthält eine gute Beschreibung des asymptotischen Verhaltens der Theorie von Mie für den kleinen Größe-Parameter (Annäherung von Rayleigh).

Weiterführende Literatur

• Pedro Lilienfeld, "Eine Blaue Himmel-Geschichte." (2004). Optik und Photonics Nachrichten. Vol. 15, Ausgabe 6, Seiten 32-39.. Gibt eine kurze Geschichte von Theorien dessen, warum der Himmel blaue Führung bis zur Entdeckung von Rayleigh und eine kurze Beschreibung des Zerstreuens von Rayleigh ist.

Links

• Beschreibung von HyperPhysics von Rayleigh, der sich zerstreut
• Volle physische Erklärung der Himmel-Farbe, in einfachen Begriffen
• Das Entfernen der Effekten von Rayleigh, der sich auf einem Foto im Photogeschäft zerstreut