レイリー効果

レイリー散乱

歴史を通じて、人類は空に対して深い賞賛を感じてきました。実存的な内省を引き起こす瞑想の夜だけでなく、空が鮮やかな色のスペクトルを示す日中も同様です。私たちは人生のある時点で、なぜ空が青く見えるのか、あるいはなぜ日没時に空がオレンジ色や赤に変わるのか疑問に思ったことがあるでしょう。この疑問は、19 世紀後半にこの発見をした数学者、ジョン ウィリアム ストラットとしても知られるレイリー卿によって最初に解決されました。

この記事では、 レイリー効果、その特徴と空が青い理由。

レイリー効果

レイリー効果の説明

太陽は、一般に白色光として知られる可視光を含む、広範囲の電磁放射線を放出します。興味深いことに、白色光は実際には虹のすべての色の組み合わせであり、紫が最も短い波長で、赤が最も長い波長です。として 太陽光は大気中を伝わり、気体、固体粒子、水分子などのさまざまな物質と相互作用します。。これらの粒子が 10 分の 1 マイクロメートルより小さい場合、白色光が全方向に散乱され、特に青色光が強調されます。

この青色光の好みは、式 1/λ4 で計算される分散係数によって説明できます。ここで、λ は波長を表します。紫と青色の光は可視スペクトルの中で最も波長が短いため、式に代入すると最も高い比率が得られます。 飛散の可能性が高くなります。この現象は一般にレイリー散乱として知られています。

その結果、散乱線は反射面として機能するガス粒子と交差し、再び曲げられ強度が増幅されます。

なぜ空は青いのですか?

レイリー効果

上記の情報を考慮すると、空は波長が短いため、青ではなく紫に見えると予想されるかもしれません。しかし、人間の目は紫色に対してあまり敏感ではないため、これは当てはまりません。その上、 実際、可視光には、紫色よりも青色の波長放射の方が高い割合で含まれています。

粒子のサイズが波長を超える場合、微分散乱は発生しません。代わりに、白色光のすべての成分は均等に分散されます。雲を構成する水滴の直径が 10 分の 1 マイクロメートルを超えるため、雲が白く見えるのはこの現象で説明されます。しかし、この水滴が緻密になると、 光が通過できないため、広範囲にわたる雲に覆われた灰色がかった外観になります。

ただし、空は一定の青い色合いを維持しているわけではないことを認識する必要があります。その結果、レイリー散乱の現象は、日の出と日没時のさまざまな赤の色合いの存在を完全には説明できません。ただし、この事実には説明があります。

太陽が沈み、薄明期に入ると、地平線上の太陽の位置により、光は垂直ではなくなり、より長い距離を移動して私たちに到達します。この角度の変化により入射量が減少し、青色光が目に届く前に分散します。その代わり、 より長い波長が優勢で、赤みがかった色調として現れます。 レイリー散乱は引き続き発生しますが、太陽が天頂にある大気内の別の場所で発生することに注意することが重要です。

沿革

レイリー卿

歴史を通じて、空は昼も夜も私たちの注目を集めてきました。それは私たちの想像力をさまよわせるキャンバスとしての役割を果たしてきました。当然、 好奇心と科学研究もこの魅力から逃れられません。。葉の色の変化や雨の起源など、他の日常現象と同様に、研究者は空の謎を解明しようと試みてきました。その神秘的な魅力が薄れるどころか、その発見は私たちの理解と賞賛を深めただけです。

1869 年の赤外線実験中に、レイリーは予期せぬ発見に遭遇しました。それは、小さな粒子によって散乱された光が微妙な青い色合いを持っていたということです。このことから、彼は同様の太陽光の散乱が空の青色の原因であると推測しました。しかし、なぜ青い光が好まれるのか、またなぜ空の色が非常に濃いのかを完全に説明することはできず、大気中の塵が唯一の説明として除外されています。

の革新的な作品 空からの光の色と偏光に関するレイリー卿は 1871 年に出版されました。。彼らの目的は、小さな粒子の存在と屈折率を定量化することによって、水滴におけるチンダル効果を測定することでした。レイリーは、ジェームズ クラーク マクスウェルによる光の電磁的性質の以前の証明を基にして、1881 年に彼の方程式が電磁気学から導かれたものであることを示しました。 1899 年の発見を拡張して、彼はその適用を個々の分子に拡張し、粒子の体積と屈折率に関連する用語を分子の分極率の用語に置き換えました。

多孔質材料への分散

多孔質材料は、λ-4 散乱パターンに従うレイリー型散乱を示す能力を持っています。この現象は、焼結アルミナの細孔と固体部分との間に屈折率の顕著なコントラストがあるナノ多孔質材料で特に顕著です。その結果、 光の散乱は信じられないほど強くなり、約 5 マイクロメートルごとに方向を変えます。

この顕著な分散挙動は、単分散アルミナ粉末を使用して、通常約 70 nm の狭い細孔径分布を作成する焼結プロセスを通じて達成される独特のナノ多孔質構造によるものです。

この情報により、レイリー効果とその特徴についてさらに詳しく知っていただければ幸いです。


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