Effetto Rayleigh

diffusione di Rayleigh

Nel corso della storia, gli esseri umani hanno provato una profonda ammirazione per il cielo, non solo durante le notti contemplative che provocano riflessioni esistenziali, ma anche durante le ore diurne, quando presenta uno spettro vibrante di colori. Ad un certo punto della nostra vita, ci siamo tutti chiesti perché il cielo appare blu o perché diventa arancione e rosso durante il tramonto. Questa domanda fu inizialmente risolta da Lord Rayleigh, noto anche come John William Strutt, un matematico che fece questa scoperta alla fine del XIX secolo.

In questo articolo ti spiegheremo il Effetto Rayleigh, le sue caratteristiche e perché il cielo è azzurro.

Effetto Rayleigh

Spiegazione dell'effetto Rayleigh

Il Sole emette un’ampia gamma di radiazioni elettromagnetiche, inclusa la luce visibile, comunemente nota come luce bianca. È interessante notare che la luce bianca è in realtà una combinazione di tutti i colori dell'arcobaleno, dove il viola è la lunghezza d'onda più corta e il rosso è la più lunga. COME La luce solare viaggia attraverso l'atmosfera, interagendo con varie sostanze come gas, particelle solide e molecole d'acqua. Quando queste particelle sono più piccole di un decimo di micrometro, provocano la diffusione della luce bianca in tutte le direzioni, con maggiore enfasi sulla luce blu.

Questa preferenza per la luce blu può essere spiegata dal coefficiente di dispersione, calcolato con la formula 1/λ4, dove λ rappresenta la lunghezza d'onda. Poiché la luce viola e blu hanno le lunghezze d'onda più corte nello spettro visibile, producono il rapporto più alto quando sostituite nella formula, che comporta una maggiore probabilità di dispersione. Questo fenomeno è comunemente noto come diffusione di Rayleigh.

Di conseguenza, i raggi diffusi si intersecano con le particelle di gas che funzionano come una superficie riflettente, facendole piegare nuovamente e amplificando la loro forza.

Perchè il cielo è blu?

effetto Rayleigh

Considerando le informazioni sopra menzionate, ci si potrebbe aspettare che il cielo appaia viola anziché blu a causa della sua lunghezza d'onda più corta. Tuttavia non è così perché l’occhio umano non è molto sensibile al colore viola. Oltretutto, La luce visibile contiene in realtà una percentuale maggiore di radiazioni di lunghezza d'onda blu rispetto al viola.

Nei casi in cui le particelle superano la dimensione della lunghezza d'onda, non si verifica la diffusione differenziale. Invece, tutti i componenti della luce bianca sono equamente dispersi. Questo fenomeno spiega l'aspetto bianco delle nuvole, poiché le gocce d'acqua che le compongono superano il decimo di micrometro di diametro. Tuttavia, quando queste goccioline d'acqua diventano densamente compattate, la luce non può attraversarli, risultando in un aspetto grigiastro associato a un'estesa copertura nuvolosa.

Bisogna però riconoscere che il cielo non mantiene una tonalità blu costante. Di conseguenza, il fenomeno dello scattering di Rayleigh non spiega completamente la presenza di varie sfumature di rosso durante l'alba e il tramonto. Tuttavia, c’è una spiegazione per questo fatto.

Quando il Sole tramonta ed entra nella fase crepuscolare, la sua posizione sull'orizzonte fa sì che la luce percorra una distanza maggiore per raggiungerci, non essendo più perpendicolare. Questo cambiamento di angolazione si traduce in un'incidenza minore, facendo sì che la luce blu si disperda prima di raggiungere i nostri occhi. Invece, Dominano le lunghezze d'onda più lunghe, che si manifestano come toni rossastri. È importante notare che lo scattering di Rayleigh continua a verificarsi, ma in un punto diverso dell’atmosfera dove il Sole è al suo zenit.

Storia

Lord Rayleigh

Nel corso della storia, il cielo ha catturato la nostra attenzione sia di giorno che di notte. È servito come tela per far vagare la nostra immaginazione. Naturalmente, la curiosità e la ricerca scientifica non sono state esenti da questo fascino. Come per altri fenomeni quotidiani, come il cambiamento di colore delle foglie o l'origine della pioggia, i ricercatori hanno cercato di scoprire i misteri del cielo. Invece di diminuire il suo fascino mistico, le sue scoperte hanno solo approfondito la nostra comprensione e ammirazione.

Durante i suoi esperimenti sugli infrarossi nel 1869, Rayleigh si imbatté in una scoperta inaspettata: la luce diffusa da minuscole particelle aveva una sottile sfumatura blu. Ciò lo portò a ipotizzare che una simile diffusione della luce solare fosse responsabile del colore blu del cielo. Tuttavia, non riuscì a spiegare completamente perché fosse preferita la luce blu o perché il colore del cielo fosse così intenso, escludendo come unica spiegazione la polvere atmosferica.

Il lavoro innovativo di Lord Rayleigh sul colore e la polarizzazione della luce proveniente dal cielo fu pubblicato nel 1871. Il loro obiettivo era misurare l'effetto Tyndall nelle gocce d'acqua quantificando la presenza di piccole particelle e gli indici di rifrazione. Basandosi sulla precedente dimostrazione di James Clerk Maxwell sulla natura elettromagnetica della luce, Rayleigh dimostrò nel 1881 che le sue equazioni derivavano dall'elettromagnetismo. Ampliando le sue scoperte nel 1899, estese l'applicazione alle singole molecole, sostituendo i termini relativi ai volumi delle particelle e agli indici di rifrazione con termini di polarizzabilità molecolare.

Dispersione in materiali porosi

I materiali porosi hanno la capacità di mostrare uno scattering di tipo Rayleigh, che segue un modello di scattering λ-4. Questo fenomeno è particolarmente evidente nei materiali nanoporosi, dove esiste un notevole contrasto nell'indice di rifrazione tra i pori e le porzioni solide dell'allumina sinterizzata. Di conseguenza, il La diffusione della luce diventa incredibilmente intensa, facendola cambiare direzione circa ogni cinque micrometri.

Questo notevole comportamento di dispersione è attribuito alla struttura nanoporosa unica ottenuta attraverso il processo di sinterizzazione, che prevede l'uso di polvere di allumina monodispersiva per creare una stretta distribuzione delle dimensioni dei pori, tipicamente intorno a 70 nm.

Spero che con queste informazioni tu possa imparare di più sull'effetto Rayleigh e sulle sue caratteristiche.


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