تأثير رايلي

على مر التاريخ، شعر الإنسان بإعجاب عميق بالسماء، ليس فقط خلال الليالي التأملية التي تثير تأملات وجودية، ولكن أيضًا خلال ساعات النهار، عندما تقدم طيفًا نابضًا بالحياة من الألوان. في مرحلة ما من حياتنا، تساءلنا جميعًا عن سبب ظهور السماء باللون الأزرق أو لماذا تتحول إلى اللون البرتقالي والأحمر أثناء غروب الشمس. تم حل هذا السؤال في البداية من قبل اللورد رايلي، المعروف أيضًا باسم جون ويليام ستروت، وهو عالم رياضيات قام بهذا الاكتشاف في أواخر القرن التاسع عشر.

في هذا المقال سنشرح لك تأثير رايليوخصائصها ولماذا السماء زرقاء.

تأثير رايلي

تبعث الشمس نطاقًا واسعًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي، بما في ذلك الضوء المرئي، المعروف باسم الضوء الأبيض. ومن المثير للاهتمام أن الضوء الأبيض هو في الواقع مزيج من جميع ألوان قوس قزح، حيث يكون اللون البنفسجي هو أقصر طول موجي والأحمر هو الأطول. مثل ينتقل ضوء الشمس عبر الغلاف الجوي ويتفاعل مع مواد مختلفة مثل الغازات والجسيمات الصلبة وجزيئات الماء. وعندما تكون هذه الجسيمات أصغر من عُشر الميكرومتر، فإنها تتسبب في تشتت الضوء الأبيض في جميع الاتجاهات، مع التركيز بشكل أكبر على الضوء الأزرق.

يمكن تفسير هذا التفضيل للضوء الأزرق من خلال معامل التشتت، الذي يتم حسابه بالصيغة 1/ lect4، حيث يمثل lect الطول الموجي. نظرًا لأن الضوء البنفسجي والأزرق لهما أقصر الأطوال الموجية في الطيف المرئي، فإنهما ينتجان أعلى نسبة عند استبدالهما في الصيغة، والتي يؤدي إلى احتمال أكبر للتشتت. تُعرف هذه الظاهرة عمومًا باسم تشتت رايلي.

ونتيجة لذلك، تتقاطع الأشعة المتناثرة مع جزيئات الغاز التي تعمل كسطح عاكس، مما يجعلها تنحني مرة أخرى وتزيد قوتها.

لم السماء زرقاء؟

وبالنظر إلى المعلومات المذكورة أعلاه، يمكن للمرء أن يتوقع أن تظهر السماء باللون الأرجواني بدلاً من اللون الأزرق بسبب طول موجتها الأقصر. ولكن هذا ليس هو الحال لأن العين البشرية ليست حساسة للغاية للون البنفسجي. بجانب، يحتوي الضوء المرئي في الواقع على نسبة أعلى من إشعاع الطول الموجي الأزرق مقارنة بالبنفسجي.

في الحالات التي يتجاوز فيها حجم الجسيمات الطول الموجي، لا يحدث التشتت التفاضلي. وبدلا من ذلك، يتم توزيع جميع مكونات الضوء الأبيض بالتساوي. وتفسر هذه الظاهرة المظهر الأبيض للسحب، حيث أن قطر قطرات الماء التي تتكون منها يتجاوز عُشر الميكرومتر. ومع ذلك، عندما تصبح قطرات الماء هذه مضغوطة بكثافة، ولا يمكن للضوء أن يمر عبرها، مما يؤدي إلى مظهر رمادي مرتبط بغطاء سحابي واسع النطاق.

ومع ذلك، يجب أن ندرك أن السماء لا تحافظ على لون أزرق ثابت. ونتيجة لذلك، فإن ظاهرة تشتت رايلي لا تفسر بشكل كامل وجود ظلال مختلفة من اللون الأحمر أثناء شروق الشمس وغروبها. ومع ذلك، هناك تفسير لهذه الحقيقة.

عندما تغرب الشمس وتدخل مرحلة الشفق، فإن موقعها في الأفق يتسبب في انتقال الضوء لمسافة أكبر للوصول إلينا، ولم يعد متعامدًا. يؤدي هذا التغيير في الزاوية إلى انخفاض معدل الإصابة، مما يتسبب في تشتت الضوء الأزرق قبل وصوله إلى أعيننا. بدلاً من، تهيمن الأطوال الموجية الأطول، وتظهر على شكل نغمات حمراء. ومن المهم أن نلاحظ أن تشتت رايلي يستمر في الحدوث، ولكن في موقع مختلف داخل الغلاف الجوي حيث تكون الشمس في ذروتها.

تاريخ

على مر التاريخ، جذبت السماء انتباهنا سواء في النهار أو في الليل. لقد كانت بمثابة لوحة قماشية لخيالنا للتجول. بطبيعة الحال، ولم يخلو الفضول والبحث العلمي من هذا الانبهار. كما هو الحال مع الظواهر اليومية الأخرى، مثل تغير لون أوراق الشجر أو مصدر المطر، حاول الباحثون اكتشاف أسرار السماء. وبدلاً من التقليل من جاذبيتها الغامضة، فإن اكتشافاتها لم تؤدي إلا إلى تعميق فهمنا وإعجابنا.

خلال تجاربه بالأشعة تحت الحمراء في عام 1869، عثر رايلي على نتيجة غير متوقعة: الضوء المتناثر بواسطة جزيئات صغيرة كان له لون أزرق خفيف. وقد دفعه هذا إلى التكهن بأن تشتتًا مشابهًا لأشعة الشمس كان مسؤولاً عن اللون الأزرق للسماء. ومع ذلك، لم يتمكن من تفسير سبب تفضيل الضوء الأزرق أو سبب كون لون السماء شديد الكثافة، مستبعدًا الغبار الجوي باعتباره التفسير الوحيد.

العمل المبتكر ل نشر اللورد رايلي كتابه عن لون واستقطاب الضوء من السماء عام 1871. كان هدفهم هو قياس تأثير تيندال في قطرات الماء عن طريق قياس وجود الجزيئات الصغيرة ومؤشرات الانكسار. بناءً على إثبات جيمس كليرك ماكسويل السابق للطبيعة الكهرومغناطيسية للضوء، أظهر رايلي في عام 1881 أن معادلاته مستمدة من الكهرومغناطيسية. وتوسعًا في النتائج التي توصل إليها في عام 1899، قام بتوسيع نطاق التطبيق ليشمل الجزيئات الفردية، واستبدل المصطلحات المتعلقة بأحجام الجسيمات ومؤشرات الانكسار بمصطلحات الاستقطاب الجزيئي.

التشتت في المواد المسامية

تتمتع المواد المسامية بالقدرة على إظهار تشتت رايلي، الذي يتبع نمط تشتت 4-XNUMX. تتجلى هذه الظاهرة بشكل خاص في المواد النانوية، حيث يوجد تباين كبير في معامل الانكسار بين المسام والأجزاء الصلبة من الألومينا الملبدة. ونتيجة لذلك، يصبح تشتت الضوء شديدًا بشكل لا يصدق، مما يجعله يغير اتجاهه كل خمسة ميكرومتر تقريبًا.

يُعزى سلوك التشتت الرائع هذا إلى البنية النانوية الفريدة التي يتم تحقيقها من خلال عملية التلبيد، والتي تتضمن استخدام مسحوق الألومينا أحادي التشتت لإنشاء توزيع ضيق لأحجام المسام، عادةً حوالي 70 نانومتر.

آمل أن تتمكن من خلال هذه المعلومات من معرفة المزيد عن تأثير رايلي وخصائصه.