ظاهرة تبعثر رايلي - Rayleigh Scattering

ما المقصود بظاهرة تبعثر رايلي – Rayleigh scattering؟

تشتت أو تبعثر “رايلي” هو ظاهرة تشتت جزيئات الضوء بشكل رئيسي بواسطة جزيئات الغاز “أحيانًا أيضًا بالصلب والسائل”، لاحظ “اللورد رايلي” هذا التشتت للضوء لأول مرة في عام 1871 ميلادي، وبالتالي سمّي بذلك، في الأساس عندما ينتشر الضوء الكهرومغناطيسي عبر الهواء، فإنّ الحركة ذهابًا وإيابًا للإلكترونات داخل جزيئات الوسط “الهواء” تولد مجالًا كهربائيًا متذبذبًا بداخله.

لذلك، عندما يُسمح للفوتونات بالانتقال عبر هذه الجزيئات، يتم امتصاص بعض الفوتونات ثمّ إعادة إرسالها في اتجاهات متعددة بواسطة جزيئات الهواء، يُعرف هذا باسم “تشتت رايلي”، تعتمد قوة التشتت على الطول الموجي للضوء وحجم الجسيمات المسؤولة عن التشتت، يشار إلى أنّ التشتت لا يحدث بسبب الاصطدام بل هو نتيجة التفاعل الكهرومغناطيسي بين الفوتونات وجزيئات الوسط.

يمكن اعتبار “تبعثر رايلي” بمثابة تشتت مرن لأنّ طاقات الفوتونات المتناثرة لا تتغير، التشتت الذي يكون فيه للفوتونات المتناثرة طاقة فوتونية أعلى أو أقل يسمّى “تشتت رامان” (Raman scattering)، عادةً ما ينطوي هذا النوع من التشتت على إثارة بعض الأوضاع الاهتزازية للجزيئات، ممّا يعطي طاقة فوتونية متناثرة أقل، أو تشتت حالة اهتزازية مثارة للجزيء الذي يضيف طاقته الاهتزازية إلى الفوتون الساقط.

ما سبب ظهور السماء باللون الأزرق؟

“يرجع ظهور السماء باللون الأزرق إلى تشتت أشعة الشمس في الغلاف الجوي”. نحن نعلم أنّ الجسيمات الضوئية تصطدم بجزيء من الغلاف الجوي أثناء الانتشار، ثمّ يعيد المجال الكهرومغناطيسي للضوء الساقط توزيع الشحنات الجزيئية، يتسبب هذا في اهتزاز الجزيئات وتبدأ الشحنات في التأرجح مع تردد الإشعاع، لكن هذا التفاعل يغير إلى حد ما استقطاب الضوء الساقط، نتيجةً لهذا يتم امتصاص بعض الطاقة الضوئية بواسطة جزيئات الغلاف الجوي، ثمّ يتم إعادة إشعاع هذه الطاقة في اتجاهات مختلفة ممّا يؤدي إلى تشتت الضوء، وبشكل أكثر تحديدًا، يسمّى “تبعثر رايلي”.

نحن ندرك حقيقة أنّ الطول الموجي للون البنفسجي هو الأقصر، ووفقًا لقانون “تبعثر رايلي”، فإنّ ضوء أقصر طول موجي يتشتت أكثر، ومع ذلك، تبدو السماء زرقاء وليست بنفسجية، هذا لأنّ طيف الضوء المنبعث من الشمس ليس موحدًا لجميع الأطوال الموجية ويمتصه الغلاف الجوي بشدة، ممّا ينتج عنه رؤية أقل بنفسجية في السماء، حتى العيون البشرية ليست حساسة جدًا للون البنفسجي.

هذا لأنّ شبكية العين في عيون الإنسان تتكون أساسًا من (3) أنواع من المخاريط أو العصي اللونية، وهي الأحمر والأخضر والأزرق، وتميل هذه العصي اللونية إلى الاستجابة لهذه الضوء بشكل أكثر كفاءة من أي لون آخر، من خلال إنشاء محفزات مختلفة، يسمح نظام الرؤية للشخص بالتعرف على الألوان المختلفة.

لذا، فإنّ المخاريط الحمراء والخضراء في شبكية العين لا تتعرف على الألوان الأخرى لأنّها ليست مبعثرة كثيرًا، ومع ذلك، تظهر المخاريط الزرقاء تحفيزًا أفضل تجاه اللون بالقرب من هذا الطول الموجي المعين، أيضًا بسبب الطول الموجي الأقصر، يمتلك اللون الأزرق تشتتًا أفضل وترى أعيننا اللون الأزرق الفاتح للسماء.

قانون تبعثر رايلي – Rayleigh Scattering Law:

ينص “قانون تبعثر رايلي” على أنّ مقدار تشتت الضوء يتناسب عكسيًا مع القوة الرابعة للطول الموجي، تعطى كالتالي:

I = 1/λ⁴

هذا يعني أنّه في حالة الطول الموجي الأقصر، من المرجح أنّ يتشتت الضوء مقارنة بطول الموجة الأطول، بسبب العلاقة العكسية بين الاثنين، نعلم أنّ الطول الموجي للون الأزرق أقل من اللون الأحمر، وبالتالي، بسبب الطول الموجي الأقصر، يتشتت الضوء الأزرق نسبيًا أكثر من الضوء الأحمر، هذا هو سبب ظهور السماء باللون الأزرق بدلاً من أي لون آخر، الآن، السؤال الذي يطرح نفسه هو أنّه في (VIBGYOR)، من بين جميع الألوان، يكون الطول الموجي للون البنفسجي هو الأقل، فلماذا لا تبدو السماء بنفسجية؟

تبعثر رايلي في الألياف الضوئية:

ينتج تشتت الضوء المرسل عبر الألياف الضوئية عن عدم التجانس والعيوب في الألياف وقت التصنيع، كما نعلم أنّ الألياف الزجاجية هي تركيبة من التوصيل العشوائي للجزيئات، لهذا السبب، قد تحتوي بعض المناطق في الهيكل إمّا على كثافة جزيئية عالية أو منخفضة، يؤدي هذا إلى اختلاف معامل انكسار المادة عند نقاط مختلفة داخل الألياف.

يؤدي الاختلاف في معامل الانكسار إلى تشتت رايلي للضوء المرسل، في الأساس، يتم تشتت إشعاع الضوء الذي يتم امتصاصه في اتجاهات مختلفة وبالتالي يُطلق عليه “تشتت الضوء” (scattering of light).