|
|
|
| Rayleigh verstrooiing, genoemd naar de 19e-eeuwse Britse natuurkundige Lord Rayleigh (John William Strutt), is de overwegend elastische verstrooiing van licht, of andere elektromagnetische straling, door deeltjes met een veel kleinere omvang dan de golflengte van de straling. Voor lichtfrequenties die ver onder de resonantiefrequentie van het verstrooiingsmedium liggen, is de hoeveelheid verstrooiing omgekeerd evenredig met de vierde macht van de golflengte. Een blauwe kleur wordt bijvoorbeeld veel meer verstrooid dan een rode kleur wanneer licht zich door het licht voortplant. lucht. |
| |
Rayleigh-verstrooiing is het gevolg van de elektrische polariseerbaarheid van de deeltjes.
Het oscillerende elektrische veld van een lichtgolf werkt in op de ladingen in een deeltje, waardoor ze met dezelfde frequentie bewegen. Het deeltje wordt daarom een kleine stralende dipool waarvan we de straling zien als verstrooid licht. De deeltjes kunnen individuele atomen of moleculen zijn; het kan voorkomen wanneer licht door transparante vaste stoffen en vloeistoffen reist, maar wordt het meest opvallend waargenomen in gassen. |
| |
| Rayleigh-verstrooiing van zonlicht in de atmosfeer van de aarde veroorzaakt diffuse hemelstraling, wat de reden is voor de blauwe kleur van de hemel overdag en in de schemering, evenals de geelachtige tot roodachtige tint van de laagstaande zon. Zonlicht is ook onderhevig aan Raman-verstrooiing, waardoor de rotatietoestand van de moleculen verandert en polarisatie-effecten ontstaan. |
|
|
 |
| Rayleigh-verstrooiing veroorzaakt de blauwe kleur van de hemel overdag en het rood worden van de zon bij zonsondergang. |
|
| |
| Verstrooiing door deeltjes met een grootte die vergelijkbaar is met of groter is dan de golflengte van het licht, wordt doorgaans behandeld door de Mie-theorie, de discrete dipoolbenadering en andere computertechnieken. Rayleigh-verstrooiing is van toepassing op deeltjes die klein zijn in verhouding tot de golflengten van licht, en die optisch "zacht" zijn (dat wil zeggen met een brekingsindex dichtbij. Afwijkende diffractietheorie is van toepassing op optisch zachte maar grotere deeltjes. |
| In 1869, terwijl hij probeerde vast te stellen of er verontreinigingen achterbleven in de gezuiverde lucht die hij gebruikte voor infrarood experimenten, ontdekte John Tyndall dat het heldere licht dat door nanoscopische deeltjes werd verstrooid een vaag blauwachtige tint had. Hij vermoedde dat een soortgelijke verstrooiing van zonlicht de lucht zijn blauwe tint gaf, maar hij kon de voorkeur voor blauw licht niet verklaren, noch kon atmosferisch stof de intensiteit van de kleur van de lucht verklaren. |
| |
| In 1871 publiceerde Lord Rayleigh twee artikelen over de kleur en polarisatie van dakraam om het effect van Tyndall op waterdruppels te kwantificeren in termen van de volumes van de kleine deeltjes en de brekingsindices. In 1881 toonde hij, met behulp van James Clerk Maxwells bewijs uit 1865 van de elektromagnetische aard van licht, aan dat zijn vergelijkingen voortkwamen uit het elektromagnetisme. In 1899 toonde hij aan dat ze van toepassing waren op individuele moleculen, waarbij termen die deeltjesvolumes en brekingsindices bevatten, werden vervangen door termen voor moleculaire polariseerbaarheid. |
| |
| Deeltjesgrootte en golflengte |
| |
| De hoeveelheid rayleighverstrooiing voor een lichtstraal is afhankelijk van de grootte van de deeltjes en de golflengte van het licht. De golflengte afhankelijkheid is bijzonder sterk: de hoeveelheid verstrooid licht is omgekeerd evenredig met de vierde macht van de golflengte. In formulevorm is de intensiteit van een verstrooide lichtstraal: |
| waarbij R de afstand is tot een deeltje, θ de verstrooiingshoek ten opzichte van de invallende straal met intensiteit Io, n de brekingsindex van het deeltje, en d de diameter van het deeltje. Indien het invallend licht gepolariseerd is (bijvoorbeeld van een laser), dan dient men in bovenstaande formule de term 1+cos²θ te vervangen door sin²θ. |
| |
| De blauwe kleur van de lucht |
| |
| De sterke golflengteafhankelijkheid van de verstrooiing (~λ−4) betekent dat kortere (blauwe) golflengten sterker worden verstrooid dan langere (rode) golflengten. Dit resulteert in het indirecte blauwe licht dat uit alle delen van de hemel komt. Rayleigh-verstrooiing is een goede benadering van de manier waarop lichtverstrooiing plaatsvindt in verschillende media waarvoor verstrooiende deeltjes een kleine afmeting hebben. |
| |
 |
Verstrooid blauw licht is gepolariseerd. De foto rechts is door een polarisatiefilter geschoten:
de polarisator laat licht door dat lineair gepolariseerd is in een specifieke richting. |
Een deel van de lichtbundel die van de zon komt, verstrooit gasmoleculen en andere kleine deeltjes in de atmosfeer. Hier vindt Rayleigh-verstrooiing voornamelijk plaats door de interactie van zonlicht met willekeurig geplaatste luchtmoleculen. Het is dit verstrooide licht dat de omringende hemel zijn helderheid en kleur geeft. Zoals eerder vermeld is de Rayleigh-verstrooiing omgekeerd evenredig met de vierde macht van de golflengte, zodat violet en blauw licht met een kortere golflengte meer zullen verstrooien dan de langere golflengten (geel en vooral rood licht). De zon heeft echter, net als elke ster, zijn eigen spectrum en daarom is I0 in de bovenstaande verstrooiingsformule niet constant, maar valt weg in het violet. Bovendien absorbeert de zuurstof in de atmosfeer van de aarde golflengten aan de rand van het ultraviolette gebied van het spectrum. De resulterende kleur,
die lijkt op lichtblauw, is eigenlijk een mengsel van alle verspreide kleuren, voornamelijk blauw en groen. Omgekeerd zijn, als je naar de zon kijkt, de kleuren die niet zijn verstrooid (de langere golflengten zoals rood en geel licht) direct zichtbaar, waardoor de zon zelf een enigszins gelige tint krijgt. Vanuit de ruimte gezien is de lucht echter zwart en de zon wit. |
| |
De roodheid van de zon wordt versterkt wanneer deze zich dichtbij de horizon bevindt, omdat het licht dat er rechtstreeks van wordt ontvangen, door een groter deel van de atmosfeer moet gaan. Het effect wordt nog groter omdat het zonlicht door een groter deel van de atmosfeer dichter
bij het aardoppervlak moet gaan, waar het dichter is. Hierdoor wordt een aanzienlijk deel van het licht met de kortere (blauw) en middellange golflengte (groen) verwijderd van het directe pad naar de waarnemer. Het resterende, niet-verstrooide licht heeft daarom meestal een langere golflengte en ziet er roder uit. |
| |
Een deel van de verstrooiing kan ook afkomstig zijn van sulfaatdeeltjes. Jarenlang na grote Pliniaanse uitbarstingen wordt de blauwe tint van de
hemel opmerkelijk helderder door de aanhoudende sulfaatbelasting van de stratosferische gassen. Sommige werken van de kunstenaar JMW Turner danken hun levendige rode kleuren mogelijk aan de uitbarsting van de berg Tambora tijdens zijn leven |
| |
| Op locaties met weinig lichtvervuiling is de maanverlichte nachtelijke hemel ook blauw, omdat maanlicht gereflecteerd zonlicht is, met een iets lagere kleurtemperatuur vanwege de bruinachtige kleur van de maan. De maanverlichte hemel wordt echter niet als blauw waargenomen, omdat het menselijk zicht bij weinig licht voornamelijk afkomstig is van staafcellen die geen enkele kleurwaarneming produceren (Purkinje-effect). |
| |
| Rode zon en andere verstooiing |
| |
Het effect kan ook worden gezien bij zonsopgang en zonsondergang, wanneer het zonlicht een veel grotere afstand door de atmosfeer moet afleggen om bij de grond te komen. Deze extra weg door de atmosfeer zorgt voor nog meer verstrooiing van het blauwe en in mindere mate
groene licht, maar nog steeds weinig verstrooiing van rood licht. Dit kan worden gezien als een duidelijke roodverkleuring van de hemel in de richting van de zon. In verzwakte vorm van dit effect zorgt de verzwakking van het blauwe licht voor een geelverkleuring van de zon. |
| |
| Hetzelfde gebeurt ook wanneer de maan heel laag boven de horizon staat, waardoor maanlicht een lichte rode verkleuring ondergaat. |
| |
Als de deeltjes groter zijn dan de golflengte van het licht, dan is de mate van verstrooiing niet meer afhankelijk van de golflengte en kan het licht dus niet in verschillende kleuren scheiden. Zulke verstrooiingsprocessen kunnen bijvoorbeeld gezien worden in een wolk waar de waterdruppels zijn
groter dan de golflengte van het licht die er dus in daglicht wit uitziet. Andere voorbeelden zijn in water opgeloste macromoleculen zoals in melk,
zie Tyndall-effect. |
|
| |
|
Bronnen: Wikipedia-nl, Wikipedia-en, Wikipedia-de, Wikipedia-fr |
|
|
|
|
|
|
