Šviesos sklaida

Ryškiai mėlynas dangus - Relėjaus sklaidos pasekmė.

Raudona dangaus spalva aplink Saulę rytais ir vakarais yra sąlygota Relėjaus sklaidos.

Smogas Šanchajuje - vienas iš Mi sklaidos pavyzdžių.

Šviesos sklaida – reiškinys, kai šviesos judėjimo kryptis bei energijos tankis pakinta dėl šviesos sąveikos su smulkiomis medžiagos dalelėmis. Pavyzdžiui, Saulės spinduliai, pasiekę Žemės atmosferą, sutinka savo kelyje joje esančias smulkias dulkes, molekules ir kitas dalelytės, dėl to dalis spindulių pakeičia savo judėjimo kryptį. Dėl to, priklausomai nuo konkrečios situacijos, yra kalbama apie skirtingus sklaidos mechanizmus.

Kai šviesa sąveikauja su oro molekulėmis, vyksta Relėjaus sklaida. Relėjaus sklaidos metu skirtingų spalvų šviesa yra sklaidoma oro molekulių į visas puses skirtingai: labiausiai yra sklaidoma mėlyna spalva. Dėl šios priežasties atmosfera žemės paviršiuje esančiam stebėtojui atrodo mėlyna, o Saulės spalva yra raudona ryte arba vakare.

Kai šviesa išsklaidoma stambesnių dalelių (dulkių, organinių molekulių), vyksta Mi sklaida. Ši sklaida yra kryptinga, o sklaidos pobūdis stipriai priklauso nuo bangos ilgio ir dalelės matmenų. Išsiveržus ugnikalniui, dėl Mi sklaidos toje vietovėje pasikeičia dangaus spalva aplink Saulę bei pačios Saulės spalva – ji įgyja raudonai rudą atspalvį. Geriausias dabartinis Mi sklaidos pavyzdys – smogas.

Sklaida nuo dar stambesnių dalelių yra aprašoma difrakcijos teorija. Pavyzdžiui, sklaida nuo smulkių vandens lašų sąlygoja tokių optinių efektų, kaip vainikas, rūko lankas ir Brokeno šmėkla atsiradimą.

Kuomet dalelių dydis dar didesnis, sklaida yra aprašoma geometrinės optikos dėsniais. Tokios sklaidos pavyzdys - vaivorykštė.

Relėjaus sklaida

Relėjaus sklaida yra tokia šviesos arba kitos elektromagnetinės spinduliuotės sklaida, kuomet šviesa išsklaidoma dalelių žymiai mažesnių nei bangos ilgis. Santykinis sklaidančiosios dalelės matmuo apibrėžiamas kaip santykis tarp dalelės matmenų ir bangos ilgio:

$x={\frac {2\pi r}{\lambda }}$.

Šioje žymėjimų sistemoje Relėjaus sklaida vyksta, kai $x<<1$.

Matematinė išsklaidytos šviesos intensyvumo I išraiška, kuomet sklaidoma šviesa yra nepoliarizuota, aprašoma formulė:

$I=I_{0}{\frac {1+\cos ^{2}\theta }{2R^{2}}}\left({\frac {2\pi }{\lambda }}\right)^{4}\left({\frac {n^{2}-1}{n^{2}+2}}\right)^{2}\left({\frac {d}{2}}\right)^{6}$

kur R yra atstumas iki dalelės, θ – kampas tarp stebėjimo krypties ir šviesos spindulio, kritusio į dalelę, sklidimo krypties, n – lūžio rodiklis, aprašantis dalelės medžiagą, o d – dalelės diametras.

Mi sklaida nuo sferinių dalelių

Sklaida nuo sferinių dalelių, kurių matmenys palyginami su šviesos matmenimis, yra aprašoma Mi sklaidos teorija. Mi teorija, taip pat vadinama Lorenco ir Mi arba Lorenco-Mi-Debajaus teorija, yra pagrįsta Maksvelo lygčių tiksliais sprendiniais. Stambesnių matmenų dalelėms yra paprasčiau naudoti paprastesnę šviesos difrakcijos teoriją.

Difrakcinė sklaida

Sklaida nuo stambesnių, nei bangos ilgis dalelių, gali būti sėkmingai aprašyta supaprastinta teorija, dar žinoma difrakcijos teorijos vardu. Optikoje difrakcijos sąvoka yra susieta su banginėmis šviesos savybėmis. Klasikiniuose difrakcijos eksperimentuose buvo naudojami įvairių formų plyšiai arba kliūtys ir šviesos difrakcija vis stipriau pasireikšdavo plyšio arba kliūties matmenims artėjant prie šviesos bangos ilgio. Tuomet šviesa, sklisdama pro kliūtį, nukrypdavo nuo tiesaus kelio, o įprastinio šešėlio sritis buvo tuo mažesnė, kuo kliūties matmuo buvo artimesnis bangos ilgiui. Difrakcija aiškinama Hiuigenso ir Frenelio principo pagalba. Šviesos bangos paviršius kiekvienu laiko momentu yra ne paprasta antrinių bangų gaubtinė, o tų bangų interferencijos rezultatas.

Difrakcija paaiškina tokius reiškinius kaip rūko lankas, vainikai bei yra svarbi optinių laikmenų teorijoje, kadangi ji, nusakydama šviesos sklaidą, riboja CD/DVD arba Blu-ray Disc lazerio mažiausios dėmės matmenis, o tuo būdu ir įrašomos informacijos kiekį.

Sklaida aprašoma geometrinės optikos pagalba

Regimosios šviesos bangos ilgis yra labai mažas lyginant su žmogaus akies ląstelėmis bei didžiąją dalimi kasdienių objektų, todėl jos spinduliai nukrypsta nuo tiesaus sklidimo kelio kasdien sutinkamose situacijose nykstamai mažu kampu. Tiesiaeigio šviesos sklidimo ir kiti geometrinės optikos dėsniai pakankamai tikslūs tik tada, kai šviesos sklidimo kelyje esančių kliūčių matmenys yra daug didesni už šviesos bangos ilgį. Geriausi geometrinės optikos aprašomi šviesos sklaidos pavyzdžiai yra balti debesys, vaivorykštė bei halas.

Regimos šviesos sklaidos rūšys

Dalelės tipas	Dalelės dydis (µm)	Sklaidos tipas	Atmosferinis reiškinys
Oro molekulės	0.0001-0.001	Relėjaus	Žydras dangus, raudona Saulė
Aerozoliai (teršalai)	0.01-1.0	Mi	Raudonai rudas smogas
Vandens dulksna	0.5-10	Difrakcija	Rūko lankas, vainikai
Vandens lašai	10-100	Geometrinė	Balti debesys, vaivorykštė ir kt.

Taip pat skaitykite

• Difrakcija
• Dispersija
• Mi sklaida
• Relėjaus sklaida