La diffusione della luce è un fenomeno molto interessante poiché diversi tipi di diffusione danno luogo a osservazioni davvero uniche.
Il colore della luce diffusa dipende molto dalla dimensione delle particelle attraverso le quali viene diffusa. Ma ci sono anche altri fattori che influenzano l'efficienza della dispersione.
Punti chiave
- Lo scattering di Rayleigh influisce sulle lunghezze d'onda più corte rispetto alle lunghezze d'onda più lunghe, facendo sì che la luce blu diffonda più della luce rossa.
- Lo scattering di Mie è più importante per le particelle più grandi, mentre lo scattering di Rayleigh è significativo per le particelle più piccole.
- Lo scattering di Rayleigh è responsabile del colore blu del cielo, mentre lo scattering di Mie provoca il colore bianco delle nuvole.
Scattering Rayleigh vs Scattering Mie
Se il diametro delle particelle in scattering è minore della lunghezza d'onda, si parla di scattering di Rayleigh. Il colore rosso del cielo durante il tramonto è un esempio di diffusione di Rayleigh. Se il diametro delle particelle in dispersione è uguale o maggiore della lunghezza d'onda, allora si parla di mie scattering. Lo smog brunastro è un esempio di dispersione Mie.
Lo scattering di Rayleigh spiega molti fenomeni che vediamo nella nostra vita quotidiana. Ad esempio, il blu il cielo, la luce rosso scuro durante il tramonto e l'arcobaleno sono tutti esempi di diffusione elastica della luce (scattering di Rayleigh).
In generale, parliamo solo di come la luce si disperde dalle molecole gassose, ma lo scattering di Rayleigh può essere spiegato anche in alcuni solidi e liquidi.
La teoria dello scattering di Mie è ampiamente utilizzata per risolvere il calore trasferimento problemi nella dispersione dei mezzi di luce. Con l'aiuto del concetto di diffusione Mie, è possibile calcolare vari fattori, come i fattori di efficienza per la diffusione, l'assorbimento e l'estinzione.
Tavola di comparazione
| Parametri di confronto | Scattering di Rayleigh | Mie Dispersione |
|---|---|---|
| Definizione | Lo scattering di Rayleigh è definito come il tipo di scattering in cui il diametro delle particelle è inferiore a un decimo della lunghezza d'onda. | Lo scattering Mie è definito come il tipo di scattering in cui il diametro della particella è uguale o maggiore della lunghezza d'onda della radiazione. |
| Fenomeni | Lo scattering di Rayleigh può spiegare fenomeni come il cielo blu e il colore rosso del tramonto. | Lo scattering Mie può spiegare fenomeni come lo smog brunastro e altri comportamenti delle particelle di aerosol. |
| Dimensione delle particelle | La dimensione delle particelle nello scattering di Rayleigh è inferiore alla lunghezza d'onda. | La dimensione delle particelle nello scattering Mie è maggiore della lunghezza d'onda. |
| Tipo di Particella | Le molecole d'aria che sono presenti nella parte visibile possono essere spiegate usando lo scattering Mie. | La diffusione di particelle di fumo, polvere, foschia e goccioline di nuvole nella regione dell'infrarosso può essere spiegata utilizzando la diffusione di Rayleigh. |
| Diametro delle particelle | Il diametro delle molecole responsabili dello scattering di Rayleigh è molto piccolo (0.001 micrometri). | Il diametro delle molecole responsabili dello scattering Mie è relativamente più grande (0.01 micrometri). |
Che cos'è lo scattering di Rayleigh?
La dispersione della luce è un fenomeno naturale che è sempre esistito in natura, ma è stato osservato per la prima volta nel XIX secolo. Un fisico britannico, Lord Rayleigh, notò per la prima volta la diffusione della luce mentre stava lavorando sul colore e sulla polarizzazione del lucernario.
Ha anche pubblicato due articoli su di esso, e quindi il fenomeno è stato intitolato a lui. Nello scattering di Rayleigh, due fattori principali influenzano l'intensità dello scattering. Sono la lunghezza d'onda della radiazione e la dimensione delle particelle delle molecole attraverso le quali sono diffuse.
Quando le particelle di luce si propagano, colpiscono vari tipi di molecole gassose e liquide presenti nell'aria. Al momento dell'urto, il campo elettromagnetico della luce incidente trasferisce le cariche molecolari, che danno inizio alla vibrazione delle particelle.
Questa interazione con la radiazione modifica in una certa misura la polarizzazione della luce incidente. Quindi, le molecole d'aria assorbono parte dell'energia e poi la riemettono in varie direzioni. Questo fenomeno è lo scattering di Rayleigh.
L'intensità dello scattering di Rayleigh è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda della luce incidente. Da blu il colore ha meno lunghezza d'onda del colore rosso, si disperde di più e viceversa.
Che cos'è lo scattering di Mie?
Lo scattering Mie fornisce una soluzione generalizzata per un sistema in cui avviene uno scattering della luce da parte di un mezzo sferico omogeneo. E questo mezzo dovrebbe avere un indice di rifrazione diverso da quello del mezzo attraversato dalla luce.
A differenza dello scattering di Rayleigh, lo scattering di Mie non è un fenomeno fisicamente indipendente, piuttosto è una soluzione alle equazioni di Maxwell per situazioni in cui la fase dell'angolo incidente può cambiare all'interno della dimensione delle particelle di scattering. Lo scattering Mie è più comunemente noto come soluzione Mie e prende il nome da Gustav Mie, un fisico tedesco.
Lo scattering Mie è anche noto come scattering di particelle di aerosol, si svolge nell'atmosfera sotto i 1,500 piedi. Nello scattering Mie, il diametro delle particelle sferiche attraverso cui viene diffusa la luce è approssimativamente uguale alla lunghezza d'onda.
Sono stati condotti diversi studi relativi allo scattering Mie per trovare approcci più efficaci per la soluzione Mie. La matematica alla base dello scattering di Mie è piuttosto complessa da capire per tutti.
Alcuni dei tipi di particelle prontamente disponibili nel nostro ambiente che causano lo scattering di Mie sono fumo, polvere, vapore acqueo, aerosol, polline, ecc.
Durante la formazione delle nuvole, diverse particelle di aerosol si diffondono l'una con l'altra e, per questo motivo, il colore della nuvola sembra essere bianco.
Principali differenze tra Scattering di Rayleigh e scattering di Mie
- Nello scattering di Rayleigh, l'efficienza di scattering varia inversamente con la quarta potenza della lunghezza d'onda, mentre, nello scattering di Mie, l'efficienza non è fortemente dipendente dalla lunghezza d'onda.
- Lo scattering di Rayleigh viene utilizzato per l'imaging laser in vari tipi di gas, mentre lo scattering di Mie è adatto per misurare le velocità di flusso utilizzando Particle Image Velocimetry (PIV).
- Lo scattering di Rayleigh è un tipo di scattering più debole rispetto allo scattering di Mie.
- La gamma del diametro delle dimensioni delle particelle nello scattering di Rayleigh è molto più piccola di quella dello scattering di Mie.
- L'osservazione di vari colori (cielo blu, tramonto rosso, arcobaleno, ecc.) è il risultato dello scattering di Rayleigh, mentre l'aspetto bianco delle nuvole è dovuto allo scattering di Mie.
- https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=ao-20-4-533
- https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=AO-43-9-1951
Ultimo aggiornamento: 13 luglio 2023
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Piyush Yadav ha trascorso gli ultimi 25 anni lavorando come fisico nella comunità locale. È un fisico appassionato di rendere la scienza più accessibile ai nostri lettori. Ha conseguito una laurea in scienze naturali e un diploma post-laurea in scienze ambientali. Puoi leggere di più su di lui sul suo pagina bio.
