Tán xạ Rayleigh vs Tán xạ Mie: Sự khác biệt và so sánh

Sự tán xạ ánh sáng là một hiện tượng rất thú vị vì các loại tán xạ khác nhau dẫn đến những quan sát rất độc đáo.

Màu sắc của ánh sáng tán xạ phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của các hạt mà chúng bị tán xạ. Nhưng cũng có những yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu quả của sự tán xạ.

Các nội dung chính

1. Tán xạ Rayleigh ảnh hưởng đến các bước sóng ngắn hơn các bước sóng dài hơn, khiến ánh sáng xanh bị tán xạ nhiều hơn ánh sáng đỏ.
2. Tán xạ Mie nổi bật hơn đối với các hạt lớn hơn, trong khi tán xạ Rayleigh có ý nghĩa đối với các hạt nhỏ hơn.
3. Tán xạ Rayleigh gây ra màu xanh lam của bầu trời, trong khi tán xạ Mie gây ra màu trắng của mây.

Tán xạ Rayleigh vs Tán xạ Mie

Nếu đường kính của các hạt trong tán xạ nhỏ hơn bước sóng, thì nó được gọi là tán xạ tia. Màu đỏ của bầu trời lúc hoàng hôn là một ví dụ về tán xạ Rayleigh. Nếu đường kính của các hạt trong tán xạ bằng hoặc lớn hơn bước sóng, thì nó được gọi là tán xạ mie. Sương mù màu nâu là một ví dụ về tán xạ Mie.

Tán xạ Rayleigh giải thích được nhiều hiện tượng chúng ta thấy trong đời sống hàng ngày. Ví dụ, bầu trời xanh, ánh sáng đỏ sẫm lúc hoàng hôn và cầu vồng đều là những ví dụ về sự tán xạ ánh sáng đàn hồi (tán xạ Rayleigh).

Nói chung, chúng ta chỉ nói về cách ánh sáng tán xạ từ các phân tử khí, nhưng tán xạ Rayleigh cũng có thể được giải thích trong một số chất rắn và chất lỏng.  

Lý thuyết tán xạ Mie được sử dụng rộng rãi để giải các bài toán truyền nhiệt trong môi trường ánh sáng tán xạ. Với sự trợ giúp của khái niệm tán xạ Mie, có thể tính toán được nhiều hệ số khác nhau, chẳng hạn như hệ số hiệu quả cho tán xạ, hấp thụ và tuyệt chủng.

Bảng so sánh

Các thông số so sánh	Rayleigh tán xạ	Mie tán xạ
Định nghĩa	Tán xạ Rayleigh được định nghĩa là loại tán xạ trong đó đường kính của các hạt nhỏ hơn một phần mười bước sóng.	Tán xạ Mie được định nghĩa là loại tán xạ trong đó đường kính của hạt bằng hoặc lớn hơn bước sóng của bức xạ.
Hiện tượng	Tán xạ Rayleigh có thể giải thích các hiện tượng như bầu trời xanh và màu đỏ của hoàng hôn.	Sự tán xạ Mie có thể giải thích các hiện tượng như sương mù màu nâu và các hành vi khác của các hạt sol khí.
Kích thước hạt	Kích thước hạt trong tán xạ Rayleigh nhỏ hơn bước sóng.	Kích thước hạt trong tán xạ Mie lớn hơn bước sóng.
Loại hạt	Các phân tử không khí hiện diện trong phần nhìn thấy được có thể được giải thích bằng tán xạ Mie.	Sự tán xạ của các hạt khói, bụi, sương mù và các giọt mây trong vùng hồng ngoại có thể được giải thích bằng tán xạ Rayleigh.
Đường kính hạt	Đường kính của các phân tử gây ra tán xạ Rayleigh là rất nhỏ (0.001 micromet).	Đường kính của các phân tử gây ra tán xạ Mie tương đối lớn hơn (0.01 micromet).

Tán xạ Rayleigh là gì?

Sự tán xạ ánh sáng là một hiện tượng tự nhiên luôn tồn tại trong tự nhiên, nhưng lần đầu tiên nó được quan sát thấy vào thế kỷ 19. Nhà vật lý người Anh, Lord Rayleigh, lần đầu tiên chú ý đến sự tán xạ ánh sáng khi ông nghiên cứu về màu sắc và sự phân cực của giếng trời.

Anh ấy cũng đã xuất bản hai bài báo về nó, và do đó, hiện tượng này được đặt theo tên anh ấy. Trong tán xạ Rayleigh, hai yếu tố chính ảnh hưởng đến cường độ tán xạ. Chúng là bước sóng của bức xạ và kích thước hạt của các phân tử mà chúng bị tán xạ.

Khi các hạt ánh sáng lan truyền, chúng va chạm với nhiều loại phân tử khí và lỏng có trong không khí. Tại thời điểm chiếu sáng, trường điện từ của ánh sáng tới truyền các điện tích phân tử, bắt đầu dao động của các hạt.

Tương tác này với bức xạ làm thay đổi sự phân cực của ánh sáng tới ở một mức độ nào đó. Vì vậy, các phân tử không khí hấp thụ một phần năng lượng và sau đó phát xạ lại theo nhiều hướng khác nhau. Hiện tượng này là tán xạ Rayleigh.

Cường độ tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng của ánh sáng tới. Vì màu xanh có bước sóng nhỏ hơn màu đỏ nên tán xạ nhiều hơn và ngược lại.

Tán xạ Mie là gì?

Tán xạ Mie đưa ra một giải pháp tổng quát cho một hệ thống trong đó sự tán xạ ánh sáng diễn ra bởi một môi trường hình cầu đồng nhất. Và môi trường này phải có chiết suất khác với chiết suất của môi trường mà ánh sáng truyền qua.

Không giống như tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie không phải là một hiện tượng vật lý độc lập, nó là nghiệm của phương trình Maxwell đối với các tình huống trong đó pha của góc tới có thể thay đổi trong kích thước của các hạt tán xạ. Tán xạ Mie thường được gọi là nghiệm Mie, và nó được đặt theo tên của Gustav Mie, một nhà vật lý người Đức.

Tán xạ Mie còn được gọi là tán xạ hạt aerosol, diễn ra trong bầu khí quyển dưới 1,500 feet. Trong tán xạ Mie, đường kính của các hạt hình cầu mà ánh sáng bị tán xạ qua đó xấp xỉ bằng bước sóng.

Một số nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến tán xạ Mie để tìm ra các phương pháp hiệu quả hơn cho giải pháp Mie. Toán học đằng sau tán xạ Mie khá phức tạp đối với mọi người.

Một số loại hạt sẵn có trong môi trường của chúng ta gây ra tán xạ Mie là khói, bụi, hơi nước, bình xịt, phấn hoa, v.v.

Trong quá trình hình thành mây, một số hạt aerosol khuếch tán lẫn nhau và do đó, màu của đám mây có vẻ là màu trắng.

Sự khác biệt chính giữa Tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie

1. Trong tán xạ Rayleigh, hiệu suất tán xạ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc XNUMX của bước sóng, trong khi đó, trong tán xạ Mie, hiệu suất không phụ thuộc nhiều vào bước sóng.
2. Tán xạ Rayleigh được sử dụng để chụp ảnh laze trong các loại khí khác nhau, trong khi tán xạ Mie phù hợp để đo vận tốc dòng chảy bằng Phép đo vận tốc hình ảnh hạt (PIV).
3. Tán xạ Rayleigh là loại tán xạ yếu hơn so với tán xạ Mie.
4. Phạm vi đường kính kích thước hạt trong tán xạ Rayleigh nhỏ hơn nhiều so với tán xạ Mie.
5. Chứng kiến ​​nhiều màu sắc khác nhau (bầu trời xanh, hoàng hôn đỏ, cầu vồng, v.v.) là kết quả của tán xạ Rayleigh, trong khi màu trắng của mây là do tán xạ Mie.

dự án

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