Rayleigh-verstrooiing

Rayleigh-verstrooiing is die verstrooiing van lig deur deeltjies wat kleiner is as die golflengte van lig. Die verskynsel is vernoem na Lord Rayleigh, wie dit oospronklik verklaar het. Rayleigh-verstrooiing vind plaas wanneer lig deur 'n deursigtige vloeistof of vastestof beweeg, maar kan die beste waargeneem word in die teenwoordigheid van gasse. Dit is ook as gevolg van Rayleigh-verstrooiing in die atmosfeer dat die lug blou voorkom.

Die hoeveelheid Rayleigh-verstrooiing vir 'n ligstraal is afhanklik van die grootte van die deeltjies en die golflengte van die lig. Die golflente-afhanklikheid is besonder sterk: die hoeveelheid verstrooide lig is omgekeerd eweredig aan die vierde mag van die golflengte (dus, die golflengte⁴). Die formule van die verstrooiingskoëffisiënt is:

${\displaystyle k_{s}={\frac {2\pi ^{6}}{3}}n\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)^{2}{\frac {d^{5}}{\lambda ^{4}}}}$

Met n as die aantal deeltjies van die diameter, d; m is die brekingsindeks; en λ is die golflengte van die straling.

Die sterk golflengte-afhanklikheid sorg ook daarvoor dat blou lig meer verstrooi word as rooi lig: blou lig se golflengte is ongeveer twee keer so kort as dié van rooi lig en dus word blou lig sestien maal beter verstrooi as rooi lig. Dit het tot gevolg dat 'n mens in die atmosfeer 'n klein deel blou lig van alle kante kan sien, terwyl die res van die sonlig hoofsaaklik uit die rigting van die son blyk te kom.

'n Belangrike uitsondering kan waargeneem word tydens sonop en sonsondergang, wanneer die sonlig 'n groter afstand deur die atmosfeer moet aflê voordat dit die waarnemer bereik. Die ekstra afstand deur die atmosfeer veroorsaak meer bykomende verstrooiing van blou as bykomende verstrooiing van rooi lig. Die gevolg is dat meer blou lig en ander korter golflengte liggolwe die ruimte in weerkaats word en 'n duidelike rooi skynsel dus in die hemel in die rigting van die son waargeneem kan word. In 'n verswakte vorm van die effek veroorsaak die verswakking van blou lig vir 'n geelkleurige son oordag, omdat net klein hoeveelhede van die blou lig uit die son se wit lig weg van die waarnemer verstrooi word.

Wanneer die deeltjies groter is as die golflengte van lig, is die mate van verstrooiing nie meer afhanklik van die golflengte nie. Sulke verskynsels kan die lig dus nie in verskillende kleure skei nie. Dit kan gesien word in 'n wolk (die waterdruppels is groter as die golflengte van lig) wat in die dag wit voorkom. Ander voorbeelde sluit in suiker, tafelsout en melk.

Rayleigh-verstrooiing is elastiese verstrooiing. Dat wil sê dat in die verstrooiingsproses die energie van die foton nie gewysig word nie. Daar is ook inelastiese verstrooiing (Raman-verstrooiing) waarin die foton energie verloor of wen. Raman-verstrooiing is baie swakker en kan net waargeneem word wanneer die sterker Rayleigh-komponent geblokkeer word.