Valon sironta on erittäin mielenkiintoinen ilmiö, sillä erilaiset sirontatyypit johtavat hyvin ainutlaatuisiin havaintoihin.
Sironneen valon väri riippuu suuresti niiden hiukkasten koosta, joiden läpi ne ovat sironneet. Mutta on myös muita tekijöitä, jotka vaikuttavat sironnan tehokkuuteen.
Keskeiset ostokset
- Rayleigh-sironta vaikuttaa lyhyempiin aallonpituuksiin kuin pidempiin aallonpituuksiin, jolloin sininen valo hajoaa enemmän kuin punainen valo.
- Mie-sironta on näkyvämpi suurempien hiukkasten kohdalla, kun taas Rayleigh-sironta on merkittävä pienempien hiukkasten kohdalla.
- Rayleigh-sironta on vastuussa taivaan sinisestä väristä, kun taas Mie-sironta aiheuttaa pilvien valkoisen värin.
Rayleigh Scattering vs Mie Scattering
Jos sironnan hiukkasten halkaisija on pienempi kuin aallonpituus, sitä kutsutaan rayleigh-sironnaksi. Taivaan punainen väri auringonlaskun aikana on esimerkki Rayleigh-sironnasta. Jos sironnan hiukkasten halkaisija on sama tai suurempi kuin aallonpituus, niin sitä kutsutaan mie-sironnaksi. Ruskehtava savusumu on esimerkki Mien leviämisestä.
Rayleigh-sironta selittää monia jokapäiväisessä elämässämme näkemiämme ilmiöitä. Esimerkiksi, sininen taivas, tummanpunainen valo auringonlaskun aikana ja sateenkaari ovat kaikki esimerkkejä joustavasta valon sironnasta (Rayleigh-sironta).
Yleensä puhumme vain siitä, kuinka valo siroaa kaasumaisista molekyyleistä, mutta Rayleigh-sironta voidaan selittää myös joissakin kiinteissä aineissa ja nesteissä.
Mie-sirontateoriaa käytetään laajasti lämmön ratkaisemiseen siirtää ongelmia valon levittämisessä. Mie-sirontakäsitteen avulla voidaan laskea erilaisia tekijöitä, kuten sironta-, absorptio- ja ekstinktiotehokkuuskertoimia.
Vertailu Taulukko
| Vertailun parametrit | Rayleigh Scattering | Mie sironta |
|---|---|---|
| Määritelmä | Rayleigh-sironta määritellään sironnan tyypiksi, jossa hiukkasten halkaisija on pienempi kuin yksi kymmenesosa aallonpituudesta. | Mie-sironta määritellään sironnan tyypiksi, jossa hiukkasen halkaisija on sama tai suurempi kuin säteilyn aallonpituus. |
| Phenomena | Rayleigh-sironta voi selittää sellaisia ilmiöitä kuin sininen taivas ja auringonlaskun punainen väri. | Mie-sironta voi selittää ilmiöitä, kuten ruskehtavan savusumun ja muun aerosolihiukkasten käyttäytymisen. |
| Hiukkaskoko | Rayleigh-sironta hiukkaskoko on pienempi kuin aallonpituus. | Hiukkaskoko Mie-sironnassa on suurempi kuin aallonpituus. |
| Hiukkasen tyyppi | Näkyvässä osassa olevat ilmamolekyylit voidaan selittää Mie-sironnalla. | Savun, pölyn, sumun ja pilvipisaroiden hiukkasten hajoaminen infrapuna-alueella voidaan selittää Rayleigh-sironnolla. |
| Hiukkasten halkaisija | Rayleigh-sironnasta vastuussa olevien molekyylien halkaisija on hyvin pieni (0.001 mikrometriä). | Mie-sironnasta vastuussa olevien molekyylien halkaisija on verrattain suurempi (0.01 mikrometriä). |
Mikä on Rayleigh Scattering?
Valon sironta on luonnollinen ilmiö, joka on ollut luonnossa aina, mutta se havaittiin ensimmäisen kerran 19-luvulla. Brittiläinen fyysikko lordi Rayleigh huomasi valon sironnan ensimmäistä kertaa työskennellessään kattoikkunan värin ja polarisoinnin parissa.
Hän julkaisi aiheesta myös kaksi artikkelia, ja näin ilmiö nimettiin hänen mukaansa. Rayleigh-sironnassa kaksi päätekijää vaikuttaa sironnan voimakkuuteen. Ne ovat säteilyn aallonpituus ja niiden molekyylien partikkelikoko, joiden läpi ne ovat sironneet.
Kun valohiukkaset etenevät, ne iskevät erityyppisiin kaasumaisiin ja nestemäisiin molekyyleihin, joita on ilmassa. Iskuhetkellä tulevan valon sähkömagneettinen kenttä siirtää molekyylivaraukset, jotka käynnistävät hiukkasten värähtelyn.
Tämä vuorovaikutus säteilyn kanssa muuttaa jossain määrin tulevan valon polarisaatiota. Joten ilmamolekyylit imevät osan energiasta ja lähettävät sitten uudelleen eri suuntiin. Tämä ilmiö on Rayleigh-sironta.
Rayleigh-sironnan intensiteetti on kääntäen verrannollinen tulevan valon aallonpituuden neljänteen potenssiin. Siitä asti kun sininen värillä on pienempi aallonpituus kuin punaisella, se hajoaa enemmän ja päinvastoin.
Mikä on Mie Scattering?
Mie-sironta antaa yleisen ratkaisun järjestelmälle, jossa valon sironta tapahtuu homogeenisen pallomaisen väliaineen avulla. Ja tämän väliaineen taitekertoimen tulisi olla erilainen kuin väliaineen, jonka läpi valo kulkee.
Toisin kuin Rayleigh-sironta, Mie-sironta ei ole fyysisesti itsenäinen ilmiö, vaan se on ratkaisu Maxwellin yhtälöihin tilanteisiin, joissa tulokulman vaihe voi muuttua sirontahiukkasten ulottuvuuden sisällä. Mie-sironta tunnetaan yleisemmin Mie-liuoksena, ja se on nimetty saksalaisen fyysikon Gustav Mien mukaan.
Mie-sironta tunnetaan myös aerosolihiukkasten sirontana, ja se tapahtuu ilmakehässä alle 1,500 jalan korkeudessa. Mie-sironnassa niiden pallomaisten hiukkasten halkaisija, joiden läpi valo siroaa, on suunnilleen yhtä suuri kuin aallonpituus.
Mie-sirontaan liittyen on tehty useita tutkimuksia tehokkaampien lähestymistapojen löytämiseksi Mie-ratkaisulle. Mie-sironnan takana oleva matematiikka on varsin monimutkaista kaikkien käsitettäväksi.
Jotkut ympäristössämme helposti saatavilla olevista hiukkastyypeistä, jotka aiheuttavat Mie-sirontaa, ovat savu, pöly, vesihöyry, aerosoli, siitepöly jne.
Pilven muodostumisen aikana useat aerosolihiukkaset diffundoituvat toistensa kanssa ja tästä johtuen pilven väri näyttää valkoiselta.
Tärkeimmät erot Rayleigh Scattering ja Mie Scattering
- Rayleigh-sironnassa sirontatehokkuus vaihtelee käänteisesti aallonpituuden neljännen potenssin kanssa, kun taas Mie-sironnassa tehokkuus ei ole voimakkaasti riippuvainen aallonpituudesta.
- Rayleigh-sirontaa käytetään laserkuvaukseen erityyppisissä kaasuissa, kun taas Mie-sironta soveltuu virtausnopeuksien mittaamiseen PIV (Particle Image Velocimetry) -menetelmällä.
- Rayleigh-sironta on heikompi sirontatyyppi verrattuna Mie-sirontaan.
- Hiukkaskoon halkaisijan vaihteluväli Rayleigh-sironnassa on paljon pienempi kuin Mie-sironta.
- Eri värien (sininen taivas, punainen auringonlasku, sateenkaari jne.) näkeminen on seurausta Rayleigh-sirontasta, kun taas pilven valkoinen ulkonäkö johtuu Mien sironnasta.
- https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=ao-20-4-533
- https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=AO-43-9-1951
Viimeksi päivitetty: 13. heinäkuuta 2023
Olen tehnyt niin paljon vaivaa kirjoittaakseni tämän blogikirjoituksen tarjotakseni sinulle lisäarvoa. Siitä on minulle paljon apua, jos harkitset sen jakamista sosiaalisessa mediassa tai ystäviesi/perheesi kanssa. JAKAminen ON ♥️
Piyush Yadav on työskennellyt viimeiset 25 vuotta fyysikkona paikallisessa yhteisössä. Hän on fyysikko, joka haluaa tehdä tieteen helpommin lukijoidemme ulottuville. Hän on koulutukseltaan luonnontieteiden kandidaatti ja ympäristötieteiden jatkotutkinto. Voit lukea hänestä lisää hänen sivuiltaan bio-sivu.
