Rayleigh-szórás

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Jump to navigation Jump to search
Az égbolt színének változását naplemente idején a Rayleigh-szórás okozza. A Nap közelében vöröses, tőle távolabb kékes színű. A felhők szürke, illetve fehér színét a fény hullámhosszához képest nagyobb méretű vízcseppeken történő Mie-szórás okozza.
A Rayleigh-szórás szögtől függő intenzitásváltozása
A légkörön áthaladó napfényből a kék színű fény nagyobb mértékben szóródik, mint a vörös.

A Rayleigh-szórás egy olyan fizikai jelenség, ami akkor lép fel, ha a fény a hullámhosszánál sokkal kisebb méretű részecskéken szóródik. A róla elnevezett jelenség magyarázatát Lord Rayleigh adta meg.[1]

A jelenség lényege[szerkesztés]

A klasszikus elektrodinamikai magyarázat szerint az átlátszó közegen áthaladó fény időben oszcilláló elektromos tere az atomok illetve molekulák, mint szóró centrumok töltéseire hatva polarizálja azokat, és ezek a kicsiny dipólusok elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. A fény és a részecskék kölcsönhatása egy rugalmas szórás, így egy ugyanolyan frekvenciájú sugárzást figyelünk meg, aminek a tulajdonságait a hullámhossz és a részecskék méretének egymáshoz való viszonya határozza meg.[2]

A hullámhossznál sokkal nagyobb méretű részecskéken való szórás a geometrikus szórás, az összemérhető méretűn pedig a Mie-szórás.

A Rayleigh-szórás esetén a centrumok mérete jóval kisebb – legfeljebb tizede – a fény hullámhosszánál. A teljesen véletlenszerűen elhelyezkedő elemi dipólusok által kisugárzott elektromágneses hullámok fázisa véletlenszerűen különbözik egymástól, az eredményül kapott sugárzás inkoherens. A szórt fény intenzitása erősen függ a megfigyelés szögétől és a hullámhossztól. A szórt fény I intenzitása a következő összefüggéssel írható fel, ha a beeső λ hullámhosszú, I0 intenzitású fény nem polarizált, és a gömb alakúnak feltételezett, d átmérőjű részecskékből álló, átlátszó n törésmutatójú közegen a beeső irányhoz képest szögben szóródik, és a szóró részecskétől való távolság R:[3]

A Rayleigh-szórás hatáskeresztmetszetét a következő szerint lehet kifejezni:[4]

Mivel a Rayleigh-szórásban a fény elektromos terének hatására indukált dipólmomentum játszik szerepet, az elektromosan izotrop közegben lejátszódó szórás esetén a szórt fény intenzitására vonatkozó összefüggést a molekulák α polarizálhatóságával is felírhatjuk:[5]

A szórt fény intenzitása tehát a hullámhossz negyedik hatványával fordítottan arányos. Ez az erős hullámhosszfüggés azt jelenti, hogy a rövidebb hullámhosszú fény sokkal jobban szóródik, mint a vörös. A megfigyelés szögétől függő szórt fényintenzitás – az összefüggésben szereplő koszinuszos tagból látszódóan – a beeső fényre merőleges irányban, azaz 90°-os szögben a legkisebb, fele akkora, mint a beesés irányában.

A kék ég és a lemenő nap vöröses fénye[szerkesztés]

Ilyen fényszórás történik a levegőben lévő molekulákon, tehát a napfény spektrumából a légkör molekuláin a kék színű komponensek szóródnak a leghatékonyabban, azaz a szórt sugárzásban a rövidebb hullámhosszú komponensek intenzívebbek. Ugyanolyan intenzitású beeső fény esetén például a 400 nm-es hullámhosszú komponens 9,4-szer intenzívebb, mint a 700 nm-es. Az ég kék színe tehát a Rayleigh-szórással magyarázható.[6]

A horizont közelében lévő Nap esetén a megfigyelő szeméig éppen a kék komponensek nagyobb mértékű kiszóródása miatt leginkább a vörös komponensek jutnak el, ezért a lemenő napot vörösesnek látjuk. Ugyanilyen okból használunk a figyelem felkeltésére piros színű lámpákat az autókon, és egyéb járműveken is, hiszen a piros fény kevésbé szóródik szét.

A szórt sugárzás mint zavaró háttér[szerkesztés]

A fényszórásból származó háttér gyakran zavaró. A lumineszcencia méréseknél a gerjesztő fény hatására a mintából a várt lumineszcencia jelen kívül – a gerjesztéssel megegyező hullámhosszon – a sokkal nagyobb intenzitású szórás is megjelenik. A fluoriméterekben ennek csökkentésére, a megfelelő hullámhosszválasztáson kívül – a szórás irányfüggését kihasználva – sok esetben úgynevezett oldalirányú megfigyelést alkalmaznak. Amikor is a detektor ág a gerjesztő fényre merőleges irányban helyezkedik el, így a lehető legkisebb a Rayleigh-szórásból származó háttér.

A szórás szerepe a kontrasztban[szerkesztés]

Meg kell jegyezni, hogy a Rayleigh által a látható fény kapcsán felfedezett szórási jelenség nem csak az emberi szem számára látható sugárzásoknál lép fel, így a Rayleigh-szórással a sokkal rövidebb és sokkal hosszabb hullámhosszú elektromágneses sugárzásokat felhasználó képalkotásban is számolni kell. A képalkotó eljárásoknál két fontos paraméter határozza meg a kép minőségét: a felbontás és a kontraszt. Az előbbit az elhajlás korlátozza, ezért a felbontás növelése érdekében érdemes minél rövidebb hullámhosszú sugárzást alkalmazni. Ekkor azonban erősen nő – hullámhossz negyedik hatványával fordított arányban – a szórásból származó háttér intenzitása, ami a megfigyelhetőséget meghatározó kontrasztot csökkentő tényező. A kontraszt növelése szempontjából tehát a hosszabb hullámhosszú sugárzásokat alkalmazó képalkotó eljárások az előnyösek. A rövidebb hullámhosszú röntgensugárzás felhasználásával jobb felbontás, de a hosszabb hullámhosszú terahertzes sugárzással illetve a rádióhullámokkal megvalósított MRI-vel jobb kontraszt érhető el.

Jegyzetek[szerkesztés]

    1. John Strutt (1871) "On the light from the sky, its polarization and colour," Philosophical Magazine, series 4, vol.41, pages 107-120, 274-279.
    2. John Strutt: On the scattering of light by small particles, Philosophical Magazine, series 4, vol. 41, pages 447-454., 1871
    3. John Strutt: On the electromagnetic theory of light, Philosophical Magazine, series 5, vol. 12, pages 81-101.,1881
    4. John Strutt: On the transmission of light through an atmosphere containing small particles in suspension, and on the origin of the blue of the sky, Philosophical Magazine, series 5, vol. 47, pages 375-394.,1899
  1. C. F. Bohren and D. R. Huffman: Absorption and scattering of light by small particles, New York: Wiley, 1998, 530 p., ISBN 0-471-29340-7, ISBN 978-0-471-29340-8
  2. Seinfeld and Pandis, Atmospheric Chemistry and Physics, 2nd Edition, John Wiley and Sons, New Jersey 2006, Chapter 15.1.1
  3. Cox, A.J. (2002). „An experiment to measure Mie and Rayleigh total scattering cross sections”. American Journal of Physics 70, 620. o. DOI:10.1119/1.1466815.  
  4. Rayleigh scattering at Hyperphysics
  5. Fizikai kislexikon Rayleigh-szórás