Rayleigh Scattering vs Mie Scattering: erinevus ja võrdlus

Valguse hajumine on väga huvitav nähtus, kuna erinevad hajumise tüübid annavad tulemuseks väga ainulaadsed vaatlused.

Hajutatud valguse värvus sõltub suuresti osakeste suurusest, mille kaudu nad hajuvad. Kuid on ka teisi tegureid, mis mõjutavad hajumise tõhusust.

Võtme tagasivõtmine

1. Rayleighi hajumine mõjutab lühemaid lainepikkusi kui pikemaid lainepikkusi, mistõttu sinine valgus hajub rohkem kui punane valgus.
2. Mie hajumine on silmatorkavam suuremate osakeste puhul, samas kui Rayleighi hajumine on oluline väiksemate osakeste puhul.
3. Rayleighi hajumine vastutab taeva sinise värvi eest, Mie hajumine aga pilvede valget värvi.

Rayleigh Scattering vs Mie Scattering

Kui osakeste läbimõõt hajumises on väiksem kui lainepikkus, nimetatakse seda rayleighi hajumiseks. Taeva punane värv päikeseloojangu ajal on näide Rayleighi hajumisest. Kui osakeste läbimõõt hajumises on sama või suurem kui lainepikkus, siis nimetatakse seda mie hajumiseks. Pruunikas sudu on Mie hajumise näide.

Rayleighi hajumine selgitab paljusid nähtusi, mida me oma igapäevaelus näeme. Näiteks sinine taevas, tumepunane valgus päikeseloojangu ajal ja vikerkaar on kõik näited valguse elastsest hajumisest (Rayleighi hajumine).

Üldiselt räägime ainult sellest, kuidas valgus gaasilistest molekulidest hajub, kuid Rayleighi hajumist saab seletada ka mõnes tahkes ja vedelikus.  

Soojuse lahendamiseks kasutatakse laialdaselt Mie hajumise teooriat üle probleemid valguskandjate hajutamisel. Mie hajumise kontseptsiooni abil saab arvutada erinevaid tegureid, nagu näiteks hajumise, neeldumise ja väljasuremise efektiivsustegurid.

Võrdlustabel

Võrdlusparameetrid	Rayleighi hajumine	Mie hajumine
Määratlus	Rayleighi hajumine on defineeritud kui hajumise tüüp, mille puhul osakeste läbimõõt on väiksem kui üks kümnendik lainepikkusest.	Mie hajumine on defineeritud kui hajumise tüüp, mille puhul osakese läbimõõt on sama või suurem kui kiirguse lainepikkus.
nähtused	Rayleighi hajumine võib seletada selliseid nähtusi nagu sinine taevas ja päikeseloojangu punane värv.	Mie hajumine võib seletada selliseid nähtusi nagu pruunikas sudu ja muu aerosooliosakeste käitumine.
Osakese suurus	Rayleighi hajumise osakeste suurus on väiksem kui lainepikkus.	Osakeste suurus Mie hajumises on suurem kui lainepikkus.
Osakese tüüp	Nähtavas osas esinevaid õhumolekule saab selgitada Mie hajumise abil.	Suitsu, tolmu, udu ja pilvepiiskade osakeste hajumist infrapunapiirkonnas saab seletada Rayleighi hajumise abil.
Osakeste läbimõõt	Rayleighi hajumise eest vastutavate molekulide läbimõõt on väga väike (0.001 mikromeetrit).	Mie hajumise eest vastutavate molekulide läbimõõt on suhteliselt suurem (0.01 mikromeetrit).

Mis on Rayleighi hajumine?

Valguse hajumine on loodusnähtus, mis on looduses alati eksisteerinud, kuid esimest korda täheldati seda 19. sajandil. Briti füüsik lord Rayleigh märkas valguse hajumist esimest korda, kui ta töötas katuseakna värvi ja polarisatsiooni kallal.

Ta avaldas selle kohta ka kaks artiklit ja nii saigi nähtus tema nime. Rayleighi hajumise korral mõjutavad hajumise intensiivsust kaks peamist tegurit. Need on kiirguse lainepikkus ja molekulide osakeste suurus, mille kaudu nad hajuvad.

Kui valgusosakesed levivad, löövad nad vastu erinevat tüüpi õhus leiduvaid gaasilisi ja vedelaid molekule. Löögi ajal kannab langeva valguse elektromagnetväli edasi molekulaarlaenguid, mis panevad käima osakeste vibratsiooni.

See interaktsioon kiirgusega muudab mingil määral langeva valguse polarisatsiooni. Seega neelavad õhumolekulid osa energiast ja kiirgavad seejärel erinevatesse suundadesse. See nähtus on Rayleighi hajumine.

Rayleighi hajumise intensiivsus on pöördvõrdeline langeva valguse lainepikkuse neljanda astmega. Alates sinine värvil on väiksem lainepikkus kui punasel, see hajub rohkem ja vastupidi.

Mis on Mie hajutamine?

Mie hajumine annab üldistatud lahenduse süsteemile, kus valguse hajumine toimub homogeense sfäärilise keskkonna poolt. Ja selle keskkonna murdumisnäitaja peaks erinema selle keskkonna murdumisnäitaja omast, mida valgus läbib.

Erinevalt Rayleighi hajumisest ei ole Mie hajumine füüsiliselt iseseisev nähtus, vaid see on Maxwelli võrrandite lahendus olukordadele, kus langemisnurga faas võib hajuvate osakeste mõõtmete piires muutuda. Mie hajumist tuntakse rohkem kui Mie lahendust ja see on oma nime saanud saksa füüsiku Gustav Mie järgi.

Mie hajumist tuntakse ka aerosooliosakeste hajumisena, see toimub atmosfääris alla 1,500 jala. Mie hajumise korral on nende sfääriliste osakeste läbimõõt, mille kaudu valgus hajub, ligikaudu võrdne lainepikkusega.

Mie hajutamisega seotud uuringuid on läbi viidud, et leida Mie lahenduse jaoks tõhusamaid lähenemisviise. Mie hajumise taga olev matemaatika on kõigile üsna keeruline mõista.

Mõned meie keskkonnas kergesti kättesaadavad osakeste tüübid, mis põhjustavad Mie hajumist, on suits, tolm, veeaur, aerosool, õietolm jne.

Pilvede tekkimisel hajuvad mitmed aerosooliosakesed omavahel ja tänu sellele tundub pilve värvus olevat valge.

Peamised erinevused Rayleigh Scattering ja Mie Scattering

1. Rayleighi hajumise korral varieerub hajumise efektiivsus pöördvõrdeliselt lainepikkuse neljanda astmega, samas kui Mie hajumise korral ei sõltu efektiivsus tugevalt lainepikkusest.
2. Rayleighi hajumist kasutatakse laserkujundamiseks erinevat tüüpi gaasides, Mie hajumist aga voolukiiruste mõõtmiseks osakeste kujutise kiiruse mõõtmise (PIV) abil.
3. Rayleighi hajumine on Mie hajutusega võrreldes nõrgem hajutamise tüüp.
4. Osakeste suuruse läbimõõdu vahemik Rayleighi hajumisel on palju väiksem kui Mie hajumisel.
5. Erinevate värvide (sinine taevas, punane päikeseloojang, vikerkaar jne) nägemine on Rayleighi hajumise tulemus, samal ajal kui pilve valge välimus on tingitud Mie hajumisest.

viited

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

Viimati värskendatud: 13. juulil 2023