Serakan Rayleigh

Serakan Rayleigh (Inggeris: Rayleigh scattering) ialah penyelerakkan elastik cahaya atau gelombang elektromagnet yang lain. Ia disebabkan oleh partikel-partikel yang bersaiz kurang daripada 1/10 panjang gelombang elektromagnet itu. Serakan Rayleigh dinamakan sempena nama ahli fizik British, Lord Rayleigh.

Kesan serakan Rayleigh boleh dilihat dalam pepejal dan cecair. Namun, kesannya paling ketara dalam gas. Partikel-partikel yang terlibat di dalam serakan Rayleigh boleh jadi atom-atom atau molekul-molekul tertentu.

 Serakan Rayleigh menyebabkan langit kelihatan berwarna biru dan matahari kelihatan berwarna kuning. Penyerakkan cahaya melalui partikel yang sama saiz atau lebih besar daripada panjang gelombang cahaya dikira dengan teori Mie. Serakan Rayleigh hanya boleh digunakan pada partikel yang lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya, dan mempunyai indeks pembiasan hampir kepada 1.

Anggaran parameter saiz kecil 
Saiz partikel yang menyelerakkan dihadkan dengan nisbah x dengan dimensi ciri-cirinya sebagai r dan panjang gelombang sebagai λ:

Serakan Rayleigh boleh ditakrifkan sebagai penyerakkan daripada partikel dengan x < 1. Penyelerakkan daripada partikel sfera yang lebih besar dijelaskan oleh teori Mie untuk parameter saiz arbitrari x.

Jumlah penyerakkan Rayleigh yang berlaku kepada satu pancaran cahaya ditentukan oleh saiz partikel dan panjang gelombang cahaya.

Kecerahan cahaya yang diserakkan, I, oleh satu partikel kekutuban daripada satu pancaran cahaya yang tidak dikutubkan dengan panjang gelombang λ dan kecerahan I0 dikira dengan formula berikut:

di mana R ialah jarak ke partikel, θ ialah sudut penyerakkan, n sebagai indeks pembiasan dan d sebagai diameter partikel itu.

Pekali serakan Rayleigh untuk satu kumpulan partikel penyelerak ialah jumlah partikel setiap unit isipadu N didarabkan dengan keratan rentas. Sama seperti semua kesan gelombang yang lain, untuk penyerakkan tidak koheren, kuasa yang diserakkan ditambah secara aritmetik. Untuk penyerakkan koheren pula, seperti apabila partikel-partikel itu berada sangat rapat antara satu sama lain, medan-medan ditambah secara aritmetik, dan jumlahnya mesti dikuasa duakan untuk mendapat jumlah kuasa yang diserakkan.

Daripada molekul 
 Serakan Rayleigh juga berlaku daripada satu-satu molekul. Di tahap ini, penyerakkan berlaku disebabkan kebolehkutuban molekular α, yang menerangkan berapa banyak cas-cas elektrik akan bergerak di dalam satu medan elektrik. Dalam hal ini, kecerahan serakan Rayleigh untuk satu partikel dikira dengan:

Jumlah penyerakkan Rayleigh daripada satu partikel juga boleh dinyatakan sebagai keratan rentas σ. Sebagai contoh, sebahagian besar atmosfera kita, nitrogen, mempunyai keratan rentas Rayleigh sebanyak 5.1×10−31 m2 pada panjang gelombang 532 nm (cahaya hijau). Ini bermakna pada tekanan atmosfera, 1/100000 daripada jumlah cahaya akan diserakkan bagi setiap meter ia bergerak.

Kadar penyerakkan dengan kebergantungan kepada panjang gelombang yang tinggi (~λ−4) bermakna cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek (biru) diserakkan lebih banyak daripada gelombang panjang gelombang yang lebih panjang (merah). Ini menyebabkan cahaya biru muncul di semua bahagian langit.

Sebab warna langit biru 
Sebahagian daripada cahaya matahari dari matahari diserakkan oleh molekul-molekul dan zarah-zarah lain di atmosfera. Seperti yang telah diterangkan, cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek (biru dan lembayung) akan diserakkan lebih banyak daripada cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang (merah dan kuning). Warna akhir yang terbentuk, yang kelihatan seperti warna biru pudar, sebenarnya adalah gabungan semua warna yang telah diserakkan, dan kebanyakkannya adalah biru dan hijau. Meskipun warna lembayung mempunyai gelombang yang paling panjang dan paling banyak diserakkan, ia merupakan bahagian kecil di dalam spektrum suria dan tidak dapat dikesan dengan baik oleh mata manusia. Sebaliknya, sekiranya kita melihat ke arah matahari, warna-warna yang tidak diserakkan seperti merah dan kuning akan kelihatan dengan jelas, memberikan matahari warna kekuningan. Jika dilihat dari angkasa lepas, langit berwarna hitam dan matahari berwarna putih.

Kemerahan cahaya matahari kelihatan paling jelas apabila matahari berhampiran dengan ufuk. Jumlah udara yang perlu dilalui cahaya bertambah apabila matahari berada di ufuk, jadi cahaya dengan gelombang yang lebih pendek akan diserakkan lebih awal, meninggalkan cahaya dengan gelombang yang lebih panjang. Ini menyebabkan langit kelihatan berwarna jingga.

Serakan Rayleigh berlaku disebabkan interaksi cahaya dengan molekul udara. Jika dilihat dari sudut pandangan makroskopik, langit biru datangnya daripada ketidaksamarataan kepadatan udara yang kecil yang disebabkan oleh pergerakan rawak molekul-molekul udara. Kawasan dengan tekanan yang lebih tinggi atau kurang akan mempunyai indeks pembiasan yang berbeza berbanding medium sekeliling, dan menjadikannya seperti zarah dengan jangka hayat pendek yang boleh menyerakkan cahaya ke arah rawak. Kawasan kecil mempunyai ketidaksamarataan lebih banyak berbanding kawasan besar, dan kerana gelombang yang pendek diganggu lebih banyak daripada gelombang yang panjang, ia aka diserakkan lebih banyak.

Sebahagian daripada serakan ini boleh juga berlaku disebabkan kehadiran zarah-zarah sulfat. Bertahun-tahun selepas letusan Gunung Vesuvius pada tahun 79 AD, langit kelihatan lebih biru kerana kemunculan banyak sulfat di lapisan stratosfera.

Di kawasan-kawasan dengan pencemaran cahaya yang rendah, langit malam yang diterangi bulan juga berwarna biru. Ini kerana bulan memantulkan cahaya matahari dengan suhu warna yang rendah sedikit disebabkan warna bulan yang agak perang. Namun, langit malam yang diterangi bulan tidak dianggap sebagai berwarna biru kerana di dalam keadaan kurang cahaya, pandangan manusia kebanyakannya datang daripada sel rod yang tidak menghasilkan persepsi warna.

Di dalam gentian optik 
Serakan Rayleigh adalah komponen yang penting dalam penyerakkan signal optik di dalam gentian optik. Gentian silika adalah bahan yang tidak tersusun, jadi kepadatannya berubah-ubah pada skala mikroskopik. Ketidaksamarataan dalam kepadatan ini membawa kepada kehilangan tenaga disebabkan oleh cahaya yang terserak, dengan pekali yang berikut:

di mana n ialah indeks pembiasan, p ialah pekali fotoelastik kaca, k ialah pemalar Boltzmann dan β ialah kebolehmampatan isotermik. Tf ialah suhu di mana ketidaksamarataan kepadatan "dibekukan" di dalam bahan tersebut.

Di dalam bahan poros 

Jenis penyelerakkan Rayleigh λ−4 juga boleh dimiliki oleh bahan poros. Contohnya ialah penyelerakkan optik yang banyak oleh bahan nanoporos. Perbezaan yang ketara antara indeks pembiasan liang-liang dan alumina yang disinter menyebabkan penyelerakkan cahaya yang banyak, dengan cahaya merubah arahnya setiap 5 mikrometer secara purata. Penyelerakkan jenis λ−4 ini disebabkan oleh struktur nanoporos (saiz liang sekitar 70nm) yang didapati melalui proses mensinter serbuk alumina monodispersif.

Rujukan 

C.F. Bohren, D. Huffman, Absorption and scattering of light by small particles, John Wiley, New York 1983. Mengandungi penjelasan yang baik tentang perlakuan asimptotik teori Mie untuk parameter saiz kecil (anggaran Rayleigh).

Bacaan lanjut 
 Pedro Lilienfeld, "A Blue Sky History." (2004). Optics and Photonics News. Jilid 15, Isu 6, pp. 32–39. . Memberikan sejarah ringkas tentang teori mengapa langit itu biru sehingga ke penemuan Rayleigh, dan penerangan ringkas tentang serakan Rayleigh.

Pautan luar 
 Penerangan serakan Rayleigh di HyperPhysics
 Penerangan fizikal penuh tentang warna langit, dengan frasa ringkas
 Membuang kesan serakan Rayleigh di dalam gambar dengan Photoshop

Cahaya
Fenomena atmosfera