ตลอดประวัติศาสตร์ มนุษย์รู้สึกชื่นชมท้องฟ้าอย่างสุดซึ้ง ไม่เพียงแต่ในช่วงกลางคืนที่ใคร่ครวญซึ่งกระตุ้นให้เกิดภาพสะท้อนที่ดำรงอยู่ แต่ยังรวมถึงในช่วงเวลากลางวันด้วย เมื่อมันนำเสนอสเปกตรัมของสีที่สดใส ในช่วงหนึ่งของชีวิต เราทุกคนเคยสงสัยว่าเหตุใดท้องฟ้าจึงปรากฏเป็นสีฟ้า หรือเหตุใดจึงเปลี่ยนเป็นสีส้มและแดงในช่วงพระอาทิตย์ตก คำถามนี้ได้รับการแก้ไขครั้งแรกโดยลอร์ดเรย์ลีห์ หรือที่รู้จักในชื่อจอห์น วิลเลียม สตรัตต์ นักคณิตศาสตร์ผู้ค้นพบเรื่องนี้ในปลายศตวรรษที่ 19
ในบทความนี้เราจะอธิบายให้คุณทราบ เรย์ลีเอฟเฟ็กต์ลักษณะของมัน และทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า
เรย์ลีเอฟเฟ็กต์
ดวงอาทิตย์ปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาเป็นวงกว้าง รวมถึงแสงที่มองเห็นได้ หรือที่เรียกกันทั่วไปว่าแสงสีขาว สิ่งที่น่าสนใจคือจริงๆ แล้วแสงสีขาวคือการรวมกันของสีรุ้งทั้งหมด โดยสีม่วงคือความยาวคลื่นที่สั้นที่สุด และสีแดงคือสีที่ยาวที่สุด เช่น แสงแดดเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศ ทำปฏิกิริยากับสารต่างๆ เช่น ก๊าซ อนุภาคของแข็ง และโมเลกุลของน้ำ- เมื่ออนุภาคเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่าหนึ่งในสิบของไมโครเมตร พวกมันทำให้เกิดการกระเจิงของแสงสีขาวในทุกทิศทาง โดยเน้นที่แสงสีน้ำเงินมากขึ้น
การตั้งค่าแสงสีน้ำเงินนี้สามารถอธิบายได้ด้วยสัมประสิทธิ์การกระจายตัว ซึ่งคำนวณโดยสูตร 1/แลมบ์ โดยที่ แล แทนความยาวคลื่น เนื่องจากแสงสีม่วงและสีน้ำเงินมีความยาวคลื่นสั้นที่สุดในสเปกตรัมที่มองเห็น จึงสร้างอัตราส่วนสูงสุดเมื่อแทนลงในสูตร ซึ่ง นำไปสู่ความน่าจะเป็นในการกระจายตัวที่สูงขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกกันทั่วไปว่าการกระเจิงของเรย์ลี
เป็นผลให้รังสีที่กระจัดกระจายตัดกับอนุภาคก๊าซที่ทำหน้าที่เป็นพื้นผิวสะท้อนแสง ทำให้พวกมันโค้งงออีกครั้งและขยายความแข็งแกร่งของมัน
ทำไมท้องฟ้าเป็นสีฟ้า?
เมื่อพิจารณาข้อมูลที่กล่าวมาข้างต้น เราอาจคาดหวังว่าท้องฟ้าจะปรากฏเป็นสีม่วงแทนที่จะเป็นสีน้ำเงิน เนื่องจากมีความยาวคลื่นสั้นกว่า อย่างไรก็ตาม กรณีนี้ไม่เป็นเช่นนั้น เนื่องจากดวงตาของมนุษย์ไม่ได้ไวต่อสีม่วงมากนัก นอกจาก, แสงที่มองเห็นนั้นมีสัดส่วนของการแผ่รังสีความยาวคลื่นสีน้ำเงินที่สูงกว่าสีม่วง
ในกรณีที่อนุภาคมีขนาดเกินความยาวคลื่น จะไม่เกิดการกระจายตัวแบบดิฟเฟอเรนเชียล แต่ส่วนประกอบทั้งหมดของแสงสีขาวจะกระจัดกระจายเท่าๆ กัน ปรากฏการณ์นี้อธิบายลักษณะที่ปรากฏของเมฆเป็นสีขาว เนื่องจากหยดน้ำที่ประกอบกันเป็นเมฆมีเส้นผ่านศูนย์กลางเกินหนึ่งในสิบของไมโครเมตร อย่างไรก็ตาม เมื่อหยดน้ำเหล่านี้อัดตัวกันหนาแน่น แสงไม่สามารถทะลุผ่านได้ ส่งผลให้เกิดสีเทาและมีเมฆปกคลุมเป็นวงกว้าง
อย่างไรก็ตาม ต้องรับรู้ว่าท้องฟ้าไม่ได้รักษาโทนสีน้ำเงินให้คงที่ ด้วยเหตุนี้ ปรากฏการณ์การกระเจิงของเรย์ลีห์จึงไม่สามารถอธิบายการมีอยู่ของสีแดงเฉดต่างๆ ได้ครบถ้วนในช่วงพระอาทิตย์ขึ้นและพระอาทิตย์ตก อย่างไรก็ตาม มีคำอธิบายสำหรับข้อเท็จจริงข้อนี้
เมื่อดวงอาทิตย์ลับขอบฟ้าและเข้าสู่ช่วงพลบค่ำ ตำแหน่งบนขอบฟ้าจะทำให้แสงเดินทางไกลเข้ามาหาเรามากขึ้น โดยไม่ตั้งฉากอีกต่อไป การเปลี่ยนแปลงมุมนี้ส่งผลให้อุบัติการณ์ลดลง ส่งผลให้แสงสีฟ้ากระจายตัวก่อนเข้ามายังดวงตาของเรา แทน, ความยาวคลื่นที่ยาวกว่าจะครอบงำโดยปรากฏเป็นโทนสีแดง สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าการกระเจิงของเรย์ลีห์ยังคงเกิดขึ้น แต่อยู่ที่ตำแหน่งอื่นภายในชั้นบรรยากาศที่ดวงอาทิตย์อยู่ที่จุดสุดยอด
ประวัติศาสตร์
ตลอดประวัติศาสตร์ ท้องฟ้าดึงดูดความสนใจของเราทั้งในเวลากลางวันและกลางคืน ทำหน้าที่เป็นผืนผ้าใบให้จินตนาการของเราได้ล่องลอยไป โดยธรรมชาติแล้ว ความอยากรู้อยากเห็นและการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ไม่ได้รับการยกเว้นจากความหลงใหลนี้- เช่นเดียวกับปรากฏการณ์อื่นๆ ในชีวิตประจำวัน เช่น ใบไม้เปลี่ยนสีหรือต้นกำเนิดของฝน นักวิจัยได้พยายามค้นพบความลึกลับของท้องฟ้า แทนที่จะลดทอนเสน่ห์อันลึกลับลง การค้นพบนี้มีแต่ทำให้เราเข้าใจและชื่นชมมากขึ้นเท่านั้น
ในระหว่างการทดลองอินฟราเรดของเขาในปี 1869 เรย์ลีห์สะดุดกับการค้นพบที่ไม่คาดคิด: แสงที่กระจัดกระจายโดยอนุภาคขนาดเล็กมีโทนสีน้ำเงินเล็กน้อย สิ่งนี้ทำให้เขาคาดเดาได้ว่าการกระเจิงของแสงอาทิตย์ที่คล้ายกันเป็นสาเหตุของสีฟ้าของท้องฟ้า อย่างไรก็ตาม เขาไม่สามารถอธิบายได้ทั้งหมดว่าทำไมจึงนิยมใช้แสงสีฟ้า หรือเหตุใดท้องฟ้าจึงมีสีเข้มมาก โดยตัดฝุ่นในบรรยากาศเป็นเพียงคำอธิบายเท่านั้น
ผลงานที่เป็นนวัตกรรมใหม่ของ ลอร์ดเรย์ลีเรื่องสีและโพลาไรเซชันของแสงจากท้องฟ้าตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 1871- วัตถุประสงค์ของพวกเขาคือการวัดผลกระทบของทินดอลล์ในหยดน้ำโดยการหาปริมาณการมีอยู่ของอนุภาคขนาดเล็กและดัชนีการหักเหของแสง เรย์ลีห์แสดงให้เห็นในปี พ.ศ. 1881 จากข้อพิสูจน์ก่อนหน้านี้ของเจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ว่าสมการของเขาได้มาจากแม่เหล็กไฟฟ้า จากการขยายผลการค้นพบของเขาในปี พ.ศ. 1899 เขาได้ขยายการประยุกต์ใช้กับโมเลกุลแต่ละโมเลกุล โดยแทนที่คำศัพท์ที่เกี่ยวข้องกับปริมาตรอนุภาคและดัชนีการหักเหของแสงด้วยเงื่อนไขโพลาไรซ์ของโมเลกุล
การกระจายตัวในวัสดุที่มีรูพรุน
วัสดุที่มีรูพรุนมีความสามารถในการแสดงการกระเจิงแบบเรย์ลีห์ ซึ่งเป็นไปตามรูปแบบการกระเจิงของ γ-4 ปรากฏการณ์นี้เห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในวัสดุที่มีรูพรุนขนาดนาโน ซึ่งมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในดัชนีการหักเหของแสงระหว่างรูพรุนและส่วนที่เป็นของแข็งของอลูมินาเผาผนึก เป็นผลให้ การกระเจิงของแสงมีความรุนแรงอย่างไม่น่าเชื่อ ทำให้มันเปลี่ยนทิศทางทุกๆ ห้าไมโครเมตรโดยประมาณ
พฤติกรรมการกระจายตัวที่น่าทึ่งนี้เป็นผลมาจากโครงสร้างที่มีรูพรุนระดับนาโนอันเป็นเอกลักษณ์ ซึ่งทำได้ผ่านกระบวนการเผาผนึก ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้ผงอลูมินาแบบกระจายตัวเดี่ยวเพื่อสร้างการกระจายขนาดรูพรุนที่แคบ โดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 70 นาโนเมตร
ฉันหวังว่าด้วยข้อมูลนี้ คุณจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ Rayleigh และคุณลักษณะของมัน