Rayleigh Scattering vs Mie Scattering: atšķirība un salīdzinājums

Gaismas izkliede ir ļoti interesanta parādība, jo dažādi izkliedes veidi rada ļoti unikālus novērojumus.

Izkliedētās gaismas krāsa lielā mērā ir atkarīga no daļiņu izmēra, caur kurām tās ir izkliedētas. Bet ir arī citi faktori, kas ietekmē izkliedes efektivitāti.

Atslēgas

1. Rayleigh izkliede ietekmē īsākus viļņu garumus nekā garākus viļņus, izraisot zilās gaismas izkliedi vairāk nekā sarkanā gaisma.
2. Mie izkliede ir pamanāmāka lielākām daļiņām, savukārt Reilija izkliede ir nozīmīga mazākām daļiņām.
3. Rayleigh izkliede ir atbildīga par debesu zilo krāsu, savukārt Mie izkliede izraisa mākoņu balto krāsu.

Rayleigh Scattering vs Mie Scattering

Ja daļiņu diametrs izkliedē ir mazāks par viļņa garumu, to sauc par Reili izkliedi. Debesu sarkanā krāsa saulrieta laikā ir Rayleigh izkliedes piemērs. Ja izkliedē esošo daļiņu diametrs ir vienāds vai lielāks par viļņa garumu, tad to sauc par mie izkliedi. Brūnganais smogs ir Mie izkliedes piemērs.

Rayleigh izkliede izskaidro daudzas parādības, ko mēs redzam mūsu ikdienas dzīvē. Piemēram, zils debesis, tumši sarkana gaisma saulrieta laikā un varavīksne ir piemēri elastīgai gaismas izkliedei (Rayleigh izkliede).

Kopumā mēs runājam tikai par to, kā gaisma izkliedējas no gāzveida molekulām, bet Rayleigh izkliedi var izskaidrot arī dažās cietās vielās un šķidrumos.  

Mie izkliedes teorija tiek plaši izmantota siltuma risināšanai pārsūtīt problēmas ar gaismas nesēju izkliedi. Ar Mie izkliedes jēdziena palīdzību var aprēķināt dažādus faktorus, piemēram, izkliedes, absorbcijas un ekstinkcijas efektivitātes koeficientus.

Salīdzināšanas tabula

Salīdzināšanas parametri	Reilijas izkliede	Mie Izkliedēšana
Definīcija	Reilija izkliede ir definēta kā izkliedes veids, kurā daļiņu diametrs ir mazāks par vienu desmito daļu no viļņa garuma.	Mie izkliede ir definēta kā izkliedes veids, kurā daļiņas diametrs ir vienāds vai lielāks par starojuma viļņa garumu.
Parādības	Rayleigh izkliede var izskaidrot tādas parādības kā zilas debesis un saulrieta sarkanā krāsa.	Mie izkliede var izskaidrot tādas parādības kā brūngans smogs un cita veida aerosola daļiņu uzvedība.
Daļiņu lielums	Daļiņu izmērs Rayleigh izkliedē ir mazāks par viļņa garumu.	Daļiņu izmērs Mie izkliedē ir lielāks par viļņa garumu.
Daļiņu veids	Gaisa molekulas, kas atrodas redzamajā daļā, var izskaidrot, izmantojot Mie izkliedi.	Dūmu, putekļu, miglas un mākoņu pilienu daļiņu izkliedi infrasarkanajā reģionā var izskaidrot, izmantojot Rayleigh izkliedi.
Daļiņu diametrs	Par Rayleigh izkliedi atbildīgo molekulu diametrs ir ļoti mazs (0.001 mikrometrs).	Par Mie izkliedi atbildīgo molekulu diametrs ir salīdzinoši lielāks (0.01 mikrometrs).

Kas ir Reilijas izkliede?

Gaismas izkliede ir dabas parādība, kas dabā pastāvējusi vienmēr, taču pirmo reizi tā tika novērota 19. gadsimtā. Britu fiziķis lords Reilijs pirmo reizi pamanīja gaismas izkliedi, kad viņš strādāja pie jumta loga krāsas un polarizācijas.

Viņš arī publicēja divus rakstus par to, un tādējādi parādība tika nosaukta viņa vārdā. Reilija izkliedē divi galvenie faktori ietekmē izkliedes intensitāti. Tie ir starojuma viļņa garums un molekulu daļiņu izmērs, caur kurām tie ir izkliedēti.

Kad gaismas daļiņas izplatās, tās saskaras ar dažāda veida gāzveida un šķidrām molekulām, kas atrodas gaisā. Trieciena brīdī krītošās gaismas elektromagnētiskais lauks pārnes molekulāros lādiņus, kas sāk daļiņu vibrāciju.

Šī mijiedarbība ar starojumu zināmā mērā maina krītošās gaismas polarizāciju. Tātad gaisa molekulas absorbē daļu enerģijas un pēc tam atkārtoti izstaro dažādos virzienos. Šī parādība ir Reilija izkliede.

Rayleigh izkliedes intensitāte ir apgriezti proporcionāla krītošās gaismas viļņa garuma ceturtajai pakāpei. Kopš zils krāsai ir mazāks viļņa garums nekā sarkanajai krāsai, tā vairāk izkliedējas un otrādi.

Kas ir Mie izkliede?

Mie izkliede dod vispārinātu risinājumu sistēmai, kurā gaismas izkliede notiek ar viendabīgu sfērisku vidi. Un šīs vides refrakcijas indeksam vajadzētu atšķirties no tā vides, caur kuru gaisma šķērso.

Atšķirībā no Rayleigh izkliedes, Mie izkliede nav fiziski neatkarīga parādība, tā ir Maksvela vienādojuma risinājums situācijām, kad krītošā leņķa fāze var mainīties izkliedes daļiņu dimensijas ietvaros. Mie izkliede ir vairāk pazīstama kā Mie risinājums, un tā ir nosaukta vācu fiziķa Gustava Mī vārdā.

Mie izkliede ir pazīstama arī kā aerosola daļiņu izkliede, kas notiek atmosfērā zem 1,500 pēdām. Mie izkliedē to sfērisko daļiņu diametrs, caur kurām tiek izkliedēta gaisma, ir aptuveni vienāds ar viļņa garumu.

Ir veikti vairāki pētījumi saistībā ar Mie izkliedi, lai atrastu efektīvākas pieejas Mie risinājumam. Matemātika, kas slēpjas aiz Mie izkliedes, ir diezgan sarežģīta, lai saprastu ikvienam.

Daži no mūsu vidē viegli pieejamajiem daļiņu veidiem, kas izraisa Mie izkliedi, ir dūmi, putekļi, ūdens tvaiki, aerosols, ziedputekšņi utt.

Mākoņu veidošanās laikā vairākas aerosola daļiņas izkliedējas viena ar otru, un tādēļ mākoņa krāsa šķiet balta.

Galvenās atšķirības starp Rayleigh Scattering un Mie Scattering

1. Rayleigh izkliedē izkliedes efektivitāte mainās apgriezti ar viļņa garuma ceturto jaudu, turpretim Mie izkliedē efektivitāte nav ļoti atkarīga no viļņa garuma.
2. Rayleigh izkliedi izmanto lāzera attēlveidošanai dažāda veida gāzēs, savukārt Mie izkliede ir piemērota plūsmas ātruma mērīšanai, izmantojot daļiņu attēla ātruma mērījumu (PIV).
3. Rayleigh izkliede ir vājāks izkliedes veids, salīdzinot ar Mie izkliedi.
4. Daļiņu izmēra diametra diapazons Rayleigh izkliedē ir daudz mazāks nekā Mie izkliedes diapazons.
5. Dažādas krāsas (zilas debesis, sarkans saulriets, varavīksne utt.) ir Rayleigh izkliedes rezultāts, savukārt balto mākoņu izskatu izraisa Mie izkliede.

Atsauces

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

Pēdējo reizi atjaunināts: 13. gada 2023. jūlijā