Rayleigh-spredning vs Mie-spredning: forskel og sammenligning

Spredning af lys er et meget interessant fænomen, da forskellige typer spredning resulterer i meget unikke observationer.

Farven på det spredte lys afhænger i høj grad af størrelsen af ​​de partikler, som de er spredt igennem. Men der er også andre faktorer, der påvirker effektiviteten af ​​spredning.

Nøgleforsøg

1. Rayleigh-spredning påvirker kortere bølgelængder end længere bølgelængder, hvilket får blåt lys til at sprede mere end rødt lys.
2. Mie-spredning er mere fremtrædende for større partikler, hvorimod Rayleigh-spredning er væsentlig for mindre partikler.
3. Rayleigh-spredning er ansvarlig for himlens blå farve, mens Mie-spredning forårsager den hvide farve på skyer.

Rayleigh Scattering vs Mie Scattering

Hvis diameteren af ​​partiklerne i spredning er mindre end bølgelængden, kaldes det rayleigh spredning. Den røde farve på himlen under solnedgangen er et eksempel på Rayleigh-spredning. Hvis diameteren af ​​partiklerne i spredning er den samme eller mere end bølgelængden, så kaldes det mie spredning. Brunlig smog er et eksempel på Mie-spredning.

Rayleigh-spredning forklarer mange fænomener, vi ser i vores daglige liv. For eksempel i blå himmel, mørkerødt lys under solnedgangen og regnbuen er alle eksempler på elastisk spredning af lys (Rayleigh-spredning).

Generelt taler vi kun om, hvordan lys spredes fra de gasformige molekyler, men Rayleigh-spredning kan også forklares i nogle faste stoffer og væsker.  

Mie-teorien om spredning bruges i vid udstrækning til at løse varme overførsel problemer med at sprede lysmedier. Ved hjælp af begrebet Mie-spredning kan forskellige faktorer beregnes, såsom effektivitetsfaktorer for spredning, absorption og ekstinktion.

Sammenligningstabel

Parametre for sammenligning	Rayleigh-spredning	Mie Spredning
Definition	Rayleigh-spredning er defineret som den type spredning, hvor diameteren af ​​partiklerne er mindre end en tiendedel af bølgelængden.	Mie-spredning er defineret som den type spredning, hvor partikeldiameteren er den samme eller mere end strålingens bølgelængde.
Phenomena	Rayleigh-spredning kan forklare fænomener som den blå himmel og solnedgangens røde farve.	Mie-spredning kan forklare fænomener som brunlig smog og anden adfærd hos aerosolpartikler.
Partikelstørrelse	Partikelstørrelsen i Rayleigh-spredning er mindre end bølgelængden.	Partikelstørrelsen i Mie-spredning er større end bølgelængden.
Type partikel	De luftmolekyler, der er til stede i den synlige del, kan forklares ved hjælp af Mie-spredning.	Spredning af partikler af røg, støv, dis og skydråber i det infrarøde område kan forklares ved hjælp af Rayleigh-spredning.
Partikeldiameter	Diameteren af ​​de molekyler, der er ansvarlige for Rayleigh-spredning, er meget lille (0.001 mikrometer).	Diameteren af ​​de molekyler, der er ansvarlige for Mie-spredning, er forholdsvis større (0.01 mikrometer).

Hvad er Rayleigh-spredning?

Spredning af lys er et naturligt fænomen, der altid har eksisteret i naturen, men det blev observeret for første gang i det 19. århundrede. En britisk fysiker, Lord Rayleigh, bemærkede spredningen af ​​lys for første gang, da han arbejdede på farven og polariseringen af ​​ovenlysvinduet.

Han udgav også to artikler om det, og dermed blev fænomenet opkaldt efter ham. Ved Rayleigh-spredning påvirker to hovedfaktorer spredningsintensiteten. De er bølgelængden af ​​strålingen og partikelstørrelsen af ​​de molekyler, hvorigennem de er spredt.

Når lette partikler udbredes, rammer de forskellige typer gasformige og flydende molekyler, der er til stede i luften. På tidspunktet for strejken overfører det indfaldende lyss elektromagnetiske felt de molekylære ladninger, som starter partiklernes vibration.

Denne interaktion med strålingen ændrer til en vis grad polariseringen af ​​det indfaldende lys. Så luftmolekylerne absorberer noget af energien og udsender derefter igen i forskellige retninger. Dette fænomen er Rayleigh-spredning.

Intensiteten af ​​Rayleigh-spredning er omvendt proportional med den fjerde potens af bølgelængden af ​​det indfaldende lys. Siden i blå farve har mindre bølgelængde end rød farve, den spreder sig mere og omvendt.

Hvad er Mie-spredning?

Mie spredning giver en generaliseret løsning for et system, hvor en spredning af lys finder sted af et homogent sfærisk medium. Og dette medium bør have et brydningsindeks, der er forskelligt fra det for mediet, som lyset passerer igennem.

I modsætning til Rayleigh-spredning er Mie-spredning ikke et fysisk uafhængigt fænomen snarere, det er en løsning på Maxwells ligninger for situationer, hvor fasen af ​​indfaldsvinklen kan ændre sig inden for dimensionen af ​​spredningspartiklerne. Mie-spredning er mere almindeligt kendt som Mie-opløsning, og den er opkaldt efter Gustav Mie, en tysk fysiker.

Mie spredning er også kendt som spredning af aerosolpartikler, finder sted i atmosfæren under 1,500 fod. Ved Mie-spredning er diameteren af ​​de sfæriske partikler, som lyset spredes igennem, omtrent lig med bølgelængden.

Der er udført flere undersøgelser relateret til Mie-spredning for at finde mere effektive tilgange til Mie-løsningen. Matematikken bag Mie-spredning er ret kompleks at gennemskue for alle.

Nogle af de let tilgængelige typer partikler i vores miljø, der forårsager Mie-spredning, er røg, støv, vanddamp, aerosol, pollen osv.

Under skydannelse diffunderer flere aerosolpartikler med hinanden, og på grund af dette ser skyens farve ud til at være hvid.

Vigtigste forskelle mellem Rayleigh Scattering og Mie Scattering

1. I Rayleigh-spredning varierer spredningseffektiviteten omvendt med bølgelængdens fjerde potens, hvorimod effektiviteten i Mie-spredning ikke er stærkt afhængig af bølgelængden.
2. Rayleigh-spredning bruges til laserbilleddannelse i forskellige typer gasser, hvorimod Mie-spredning er velegnet til måling af strømningshastigheder ved hjælp af Particle Image Velocimetry (PIV).
3. Rayleigh-spredning er en svagere spredningstype sammenlignet med Mie-spredning.
4. Området for partikelstørrelsesdiameteren i Rayleigh-spredning er meget mindre end Mie-spredningens.
5. At se forskellige farver (blå himmel, rød solnedgang, regnbue osv.) er et resultat af Rayleigh-spredning, hvorimod det hvide udseende af skyer skyldes Mie-spredning.

Referencer

1. https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=ao-20-4-533
2. https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=AO-43-9-1951

Sidst opdateret: 13. juli 2023