Rozptyl světla
Rozbalit box
Obsah boxu
Rozptyl světla (též difuze světla) je fyzikální jev, při kterém dochází k odchýlení světla (nebo obecně elektromagnetického záření) od jeho původního směru v důsledku interakce s částicemi v prostředí. Tyto částice mohou být atomy, molekuly, prachové částice, kapičky kapaliny nebo jiné nehomogenity. Rozptýlené světlo se pak šíří do různých směrů.
---
Mechanismus rozptylu
Když světlo dopadne na částici, elektromagnetická vlna (tvořená fotony) rozkmitá elektrony v dané částici. Tyto rozkmitané elektrony se pak chovají jako malé elektrické dipóly, které začnou vyzařovat sekundární záření do všech směrů. Toto sekundární záření je to, co vnímáme jako rozptýlené světlo.
Rozptyl se může dělit na:
- Pružný (elastický) rozptyl: Rozptýlené světlo má stejnou vlnovou délku (a tedy i energie a frekvence) jako dopadající světlo. Jsou to nejčastější typy rozptylu v každodenním životě.
- Nepružný (neelastický) rozptyl: Rozptýlené světlo má jinou vlnovou délku (a energii) než dopadající světlo, protože část energie je předána nebo odebrána rozptylující částici.
---
Typy rozptylu světla
Pružný rozptyl
- Charakteristika: Dochází k němu, když jsou rozptylující částice (např. molekuly vzduchu) mnohem menší než vlnová délka dopadajícího světla ($$d \ll \lambda$$).
- Závislost na vlnové délce: Intenzita rozptýleného světla je nepřímo úměrná čtvrté mocnině vlnové délky ($$I \propto 1/\lambda^4$$). To znamená, že světlo s kratšími vlnovými délkami (např. modré a fialové světlo) je rozptylováno mnohem silněji než světlo s delšími vlnovými délkami (např. červené světlo).
- Příklady:
* Modrá barva oblohy: Sluneční světlo se rozptyluje na molekulách dusíku a kyslíku v zemské atmosféře. Protože modré světlo je rozptylováno nejvíce, vidíme oblohu modře. * Červené a oranžové zabarvení při východu a západu slunce: Když je Slunce nízko nad horizontem, sluneční paprsky procházejí delší vrstvou atmosféry. Většina modrého světla je rozptýlena dříve a k našim očím se dostává převážně méně rozptýlené červené a oranžové světlo.
- Charakteristika: Nastává, když jsou rozptylující částice větší než u Rayleighova rozptylu, ale stále menší než přibližně 1 mikrometr ($\mu m$) – jsou srovnatelné s vlnovou délkou viditelného světla nebo jen o něco větší. Typický pro koloidní roztoky nebo jemné suspenze.
- Závislost na vlnové délce: Rozptyl je méně závislý na vlnové délce než u Rayleighova rozptylu, ale kratší vlnové délky jsou stále rozptylovány o něco silněji.
- Příklady:
* Viditelný paprsek světla v kouři, mlze nebo prachu: Když paprsek světla prochází prostředím s jemnými částicemi, stane se viditelným (např. světla auta v mlze, laserový paprsek ve zakouřené místnosti). * Modrá barva duhovky (modré oči): Způsobena rozptylem světla na drobných strukturách v duhovce. * Modrá barva některých ptačích per nebo ledovců.
- Charakteristika: Dochází k němu, když jsou rozptylující částice srovnatelné nebo větší než vlnová délka světla (od asi 1 $\mu m$ do několika desítek $\mu m$). Na rozdíl od Rayleighova rozptylu, Mieho rozptyl není výrazně závislý na vlnové délce. Je složitější a silně závisí na velikosti, tvaru a indexu lomu částic.
- Příklady:
* Bílá barva oblaků: Mraky se skládají z kapiček vody nebo ledových krystalků, které jsou dostatečně velké, aby rozptylovaly všechny vlnové délky viditelného světla přibližně stejně. * Zabarvení smogu: Částice aerosolů ve smogu často vykazují Mieho rozptyl.
Nepružný rozptyl
- Charakteristika: Jev, při kterém část energie fotonů dopadajícího světla interaguje s molekulami látky, což vede ke změně vibračních a rotačních stavů molekul. Rozptýlené fotony mají pak buď nižší energii (Stokesův rozptyl) nebo vyšší energii (anti-Stokesův rozptyl).
- Využití: Základ Ramanova spektroskopie, která se používá pro strukturní analýzu látek a jejich identifikace.
- Charakteristika: Nastává, když fotony rentgenového nebo gama záření interagují s elektrony, což vede ke změně vlnové délky fotonu. Je to příklad nepružného rozptylu s vysokou energií.
- Využití: Důležitý jev v jaderné fyzice a radiologie.
---
Aplikace a význam
Rozptyl světla hraje klíčovou roli v mnoha přírodních jevech a má široké uplatnění v technologiích:
- Přírodní jevy:
* Barva oblohy, mraků, východy a západy slunce. * Modrá barva oceánů. * Viditelnost paprsků světla (např. sluneční paprsky procházející skrz mraky nebo les). * Optické vlastnosti některých biomateriálů (barva očí, peří).
- Technologie:
* Spektroskopie: Ramanova spektroskopie pro analýzu chemického složení a struktury. * Měření velikosti částic: Laserová difrakce (statický rozptyl světla) a dynamický rozptyl světla se používají pro měření velikosti částic v suspenzích a emulzích. * Optická vlákna: Rozptyl je nežádoucí, protože způsobuje ztrátu signálu. * Lékařství: Využití pro diagnostiku (např. v oftalmologii při posuzování zakalení čočky, v kožní diagnostice pro analýzu pigmentu) nebo pro sledování koncentrace látek v krvi. * Detekce aerosolů a znečišťujících látek. * Radarové a lidarové systémy: Fungují na principu rozptylu elektromagnetických vln na objektech.
---
Odkazy
---