تبعثر ريليه

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
يسبب تبعثر ريليه اللون الأزرق للسماء في اوقات النهار، واللوتن المائل للإحمرار عند المغيب

تبعثر ريليه هو أحد أنواع التبعثر سمي على اسم الفيزيائي البريطاني جون وليم ريليه[1] وهو تبعثر مرن للضوء أو أي أشعة كهرومغناطيسية أخرى يتبعثر نتجة تأثير جسيمات أصغر من الطول الموجي للضوء. يمكن أن تكون هذه الجسيمات إما ذرات مستقلة أو جزيئات. يمكن أن يحدث هذا التبعثر عند انتقال الضوء في وسط شفاف صلب أو سائل، لكن أغلب حالات يحدث في الغازات. تبعثر ريليه هو تابع قابلية الاستقطاب الكهربائية للجسيمات.

يتسبب تبعثر ريليه لضوء الشمس في الغلاف الجوي ظاهرة النشر الإشعاعي للسماء، وهو السبب الرئيسي للون الأزرق للسماء واللون المصفر للشمس.

يتم حساب التبعثر الناتج عن جسيمات أكبر قليلاً أو مساوية للطول الموجي عن طريق نظرية ماي.

القيمة التقريبية لخاصية صغر الحجم[عدل]

يتميز حجم الجزيئات المبعثرة بالنسبة x للسمة البعدية r والطول الموجي λ:

 x = \frac{2 \pi r} {\lambda}.

يعرف تبعثر ريليه كتبعثر في الجزيئات الصغيرة ضمن المجال x ≪ 1.

في حين أن التبعثر ذو الجسيمات الأكبر من 1 يتم حسابه عن طريق نظرية تبعثر ماي، وفي حالة كان x أصغر من 1 يتم تقريب نظرية ماي لتبعثر ريليه.

كمية تبعثر ريليه الناتج عن منبع ضوئي تعتمد على حجم الجسيمات والطول الموجي للضوء. وتتناسب شدة الضوء المتبعثر طرداً مع حجم الجسيمات مرفوع إلى القوة السادسة و عكساً مع الطول الموجي مرفوع إلى القوة الرابعة.[2] وباالتالي يمكن أن نكتب بأن شدة الضوء المتبعثر I من جسيم صغير ناتج عن منبع ضوئي غير مستقطب بشدة I0 وطول موجي λ يعطى بالعلاقة:

 I = I_0 \frac{ 1+\cos^2 \theta }{2 R^2} \left( \frac{ 2 \pi }{ \lambda } \right)^4 \left( \frac{ n^2-1}{ n^2+2 } \right)^2 \left( \frac{d}{2} \right)^6[3]

حيث:

R : البعد عن الجسيم
θ: زاوية التبعثر
n: قرينة الانكسار
d: قطر الجسيم

يعطى تبعثر ريليه خلال مقطع الامتصاص بالعلاقة:

 \sigma_\text{s} = \frac{ 2 \pi^5}{3} \frac{d^6}{\lambda^4} \left( \frac{ n^2-1}{ n^2+2 } \right)^2

من الجزئيات[عدل]

يبين الشكل نسبةتبعثر الضوء الأزرق في الغلاف الجوي بالنسبة إلى الضوء الأحمر.

يحدث تبعثر ريليه نتيجة الجزيئات، ويتأثر التبعثر هنا بالشحنة الكهربائية للجزئيات α والتي تصف مقدار الشحنة الكهربائية للجزيء والتي تتحرك ضمن حقل كهربائي، تعطى علاقة شدة تبعثر ريليه لجزيء واحد :[4]

I = I_0 \frac{8\pi^4\alpha^2}{\lambda^4 R^2}(1+\cos^2\theta).

يمكن التعبير عن تبعثر ريليه لجسيم وحيد باستخدام مقطع الامتصاص σ . فعلى سبيل المثال المكون الأساسي للغلاف الجوي الأرضي له مقطع امتصاص ريليه يعادل 5.1X10-31 متر2 عند الطول الموجي 532 نانومتر[5]

في الألياف البصرية[عدل]

يحتل تبعثر ريليه أهمية كبيرة لحساب التبعثر ضمن الألياف البصرية. تعتبر ألياف السيلكا مواد مشوبة وبالتالي فهي ذات كثافة متغيرة ضمن المقياس الميكروي، يسبب التغير بالكثافة ازدياد النقص بالكاقة نتيجة التبعثر ضمن الألياف ويحسب معامل فقدان هذه الطاقة حسب المعادلة التالية[6]:

\alpha_\text{scat} = \frac{8 \pi^3}{3 \lambda^4} n^8 p^2 k T_\text{f} \beta

حيث:

n: قرينة الانكسار
p: معامل المرونة الضوئي للزجاج
k: ثابت بولتزمان
β: معامل الانضغاط الإيزوترمي
Tf: درجة الحرارة الوهمية، وتمثل درجة الحرارة التي يتجمد عندها الشوائب المتكاثفة ضمن المادة.

المراجع[عدل]

  1. ^ Lord Rayleigh (John Strutt) refined his theory of scattering in a series of papers that were issued over a period of decades. Here is a partial list of those papers:
    1. John Strutt (1871) "On the light from the sky, its polarization and colour," Philosophical Magazine, series 4, vol.41, pages 107-120, 274-279.
    2. John Strutt (1871) "On the scattering of light by small particles," Philosophical Magazine, series 4, vol. 41, pages 447-454.
    3. John Strutt (1881) "On the electromagnetic theory of light," Philosophical Magazine, series 5, vol. 12, pages 81-101.
    4. John Strutt (1899) "On the transmission of light through an atmosphere containing small particles in suspension, and on the origin of the blue of the sky," Philosophical Magazine, series 5, vol. 47, pages 375-394.
  2. ^ Barnett، C.E. (1942). "Some application of wavelength turbidimetry in the infrared". J.Phys.Chem 46 (1): 69–75. 
  3. ^ Seinfeld and Pandis, Atmospheric Chemistry and Physics, 2nd Edition, John Wiley and Sons, New Jersey 2006, Chapter 15.1.1
  4. ^ Rayleigh scattering at Hyperphysics
  5. ^ Maarten Sneep and Wim Ubachs, Direct measurement of the Rayleigh scattering cross section in various gases. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 92, 293 (2005).
  6. ^ K.Rajagopal, Textbook on Engineering Physics, PHI, New Delhi 2008, part I, Chapt. 3