Scattering di Rayleigh: differenze tra le versioni

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La '''diffusione di Rayleigh''' (pronunciato /ˈreɪli/, che prende il nome dal [[fisico]] [[Gran Bretagna|britannico]] [[Premio Nobel]] [[John William Strutt Rayleigh]]<ref>John William Strutt, {{Cita pubblicazione|doi=10.1080/14786447108640507|titolo=LVIII. On the scattering of light by small particles|rivista=The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science|volume=41|numero=275|pp=447-454|anno=1871|cognome1=Strutt|nome1=J.W}}</ref>) è lo [[scattering elastico]] (o diffusione) di un'onda luminosa provocato da particelle piccole rispetto alla [[lunghezza d'onda]] dell'onda stessa, che avviene ad esempio quando la luce attraversa un mezzo torbido, soprattutto gas e liquidi o anche solidi con impurezze o inclusioni. Ancora, lo scattering di Rayleigh nelle molecole dell'aria è il motivo principale per cui il cielo appare di colore azzurro.

{{scattering}}

Lo '''scattering Rayleigh''' (che prende il nome da [[Lord Rayleigh]]) è lo [[scattering]] (o [[diffusione]]) di un'onda luminosa provocato da particelle più piccole della [[lunghezza d'onda]] dell'onda stessa. Questo avviene quando la luce attraversa un mezzo trasparente sia solido che liquido anche se generalmente questo fenomeno si osserva nei gas. Lo scattering Rayleigh della luce solare da particelle sospese in atmosfera è una delle ragioni per le quali noi vediamo il cielo di colore azzurro.

In particolare, questo scattering avviene per radiazione meno energetica dell'energia di legame dell'elettrone con l'atomo. In questa condizione, il [[fotone]] non può intaccare la struttura interna dell'atomo e così la sua energia non cambia. Poiché la diffusione è elastica, la radiazione diffusa ha la stessa [[frequenza]] (e lunghezza d'onda) di quella incidente. La radiazione diffusa è detta anche '''radiazione Rayleigh'''.

La quantità di luce che viene diffusa dallo scattering Rayleigh dipende sia dalle dimensioni della particella che dalla lunghezza d'onda della luce, in particolare il coefficiente di scattering e pertanto l'intensità della luce diffusa, varie inversamente con la potenza quarta della lunghezza d'onda, da una relazione chiamata '''legge di Rayleigh'''. Lo scattering da particelle delle dimensioni di circa un decimo del lunghezza d'onda viene trattato dalla [[teoria di Mie]].

==Scattering da piccole particelle==

L'intensità della luce diffusa (''I'') da una singola piccola particella di un raggio luminoso di lunghezza d'onda λ e intensità ''I''₀ è data dalla legge:

La quantità di luce che viene diffusa dallo scattering di Rayleigh dipende sia dalle dimensioni della particella chesia dalla lunghezza d'onda della luce,. in particolare ilIl coefficiente di scattering, e pertantoquindi l'intensità della luce diffusa, varievaria inversamente con la potenza quarta potenza della lunghezza d'onda, dasecondo una relazione chiamatala '''legge di Rayleigh''', che si applica a particelle di diametro molto più piccolo della lunghezza d'onda della luce. Lo scattering da particelle dellepiù dimensionigrandi, dida circa un decimo deldella lunghezza d'onda della luce in su, viene trattato dalla [[teoria di Mie]].

Quando un raggio luminoso di lunghezza d'onda λ e intensità ''I''₀ colpisce una singola, piccola particella, l'intensità della luce da essa diffusa (''I'') è data dalla legge:

:<math> I = I_0 \frac{ (1+\cos^2 \theta) }{2 R^2} \left( \frac{ 2 \pi }{ \lambda } \right)^4 \left( \frac{ n^2-1}{ n^2+2 } \right)^2 \left( \frac{d}{2} \right)^6</math>

dove ''R'' è la distanza della particella dall'osservatore, θ l'angolo di diffusione, ''n'' l'[[indice di rifrazione]] della particella e ''d'' è il diametro della particella.

La distribuzione angolare dello scattering di Rayleigh risulta quindiè governatadeterminata dal termine (1+cos² &theta;), che è un coefficiente simmetrico alla normalerispetto al piano nellanormale alla direzione incidente della luce; pertanto la luce diffusa in avanti risultaha esserela paristessa allaintensità della luce diffusa indietro. Integrando su una sfera che circonda la particella si può tenereottenere la [[sezione d'urto]] dello scattering di Rayleigh, &sigma;_s:

:<math> \sigma_s = \frac{ 2 \pi^5}{3} \frac{d^6}{\lambda^4} \left( \frac{ n^2-1}{ n^2+2 } \right)^2 </math>

Il coefficiente dello scattering di Rayleigh per un gruppo di particelle distribuite casualmente, incoerenti tra loro, come in un gas, è il numero di particelle per unità di volume ''N'' moltiplicato per la sezione d'urto.

== Scattering di Rayleigh da molecole ==

La forte dipendenza della diffusione dall'inverso della lunghezza d'onda (1/<math>\lambda^4</math>), implica che la luce blu viene diffusa molto di più della luce rossa. In atmosfera quindi i fotoni blu vengono diffusi quando l'onda attraversa il cielo ed è questa la ragione per cui si può vedere la luce blu arrivare da tutte le regioni del cielo mentre gli altri fotoni derivano più direttamente dal sole. È inoltre importante notare che, nonostante si usi il termine fotone, la teoria dello scattering Rayleigh è stata sviluppata senza fare alcun ricorso alla [[meccanica quantistica]] e non utilizza alcun elemento fondamentale della fisica moderna.

La teoria di Rayleigh si applica anche e soprattutto alle singole molecole, trattate come particelle puntiformi. In tal caso non si parla né di indice di rifrazione né di diametro della particella, ma della sua [[polarizzabilità]] ''α'', che descrive quanto le cariche elettriche della molecola si muoveranno in risposta al [[campo elettrico]] oscillante della luce, generando a loro volta una piccola onda elettromagnetica sferica. In questo caso l'intensità dello scattering di Rayleigh per una singola molecola è dato da:<ref>[http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.html#c2 Rayleigh scattering at Hyperphysics]</ref>

:<math>I = I_0 \frac{8\pi^4\alpha^2}{\lambda^4 R^2}(1+\cos^2\theta)</math>

Per lo stesso motivo la diffusione di Rayleigh è responsabile del colore rosso che assumono gli oggetti, le nuvole, etc. al tramonto o all'alba. In queste condizioni infatti i raggi solari attraversano uno spessore grandissimo di atmosfera terrestre e dunque incontrano un elevato numero di centri diffusori, cosicché non solo i fotoni blu, ma anche quelli gialli sono diffusi. Il risultato è che la luce solare è privata di tutte le componenti dello spettro eccetto il rosso. Il cielo tuttavia rimane blu a causa del gran numero di fotoni blu sempre diffusi nell'alta atmosfera.

Il coefficiente totale di scattering (la sezione d'urto) di una singola molecola di azoto, che è il componente principale dell'atmosfera, ha un valore di circa 5,1 x 10⁻³¹ m² a una lunghezza d'onda di 532&nbsp;nm (luce verde).<ref>Maarten Sneep and Wim Ubachs, [https://dx.doi.org/10.1016/j.jqsrt.2004.07.025 Direct measurement of the Rayleigh scattering cross section in various gases]. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 92, 293 (2005).</ref> Ciò comporta che a [[pressione atmosferica]] per ogni metro di cammino verrà diffusa una frazione di luce di circa 10⁻⁵ da parte dell'azoto.

A questo punto risulta naturale chiedersi il motivo per cui il cielo risulta essere blu anziché viola poiché, in accordo con la legge di Rayleigh e della dipendenza inversa con la quarta potenza della lunghezza d'onda, sarebbe naturale aspettarsi un cielo di questo colore. Ciò è dovuto principalmente al fatto che l'occhio umano risulta essere più sensibile alla lunghezza d'onda corrispondente alla luce blu anziché a quella viola avendo dei [[fotorecettori]] che possiedono un picco di sensibilità maggiore per questo colore. Inoltre la luce che proviene dal sole è centrata sulle frequenze blu dello spettro.

==Il colore azzurro del cielo==

La forte dipendenza della diffusione dall'inversodal reciproco della lunghezza d'onda (1/<math>1/\lambda^4</math>), implica che la luce blu viene diffusa molto di più della luce rossa. In atmosfera quindi i "fotoni blu"<ref>In realtà non esistono "fotoni blu". Il blu è semplicemente una delle convenzionali suddivisioni dello spettro elettromagnetico, di per sé continuo, ideate al fine di limitarne la continuità.</ref> vengono diffusi quando l'onda attraversa il cielo ed è questa la ragione per cui si può vedere la luce blu arrivare da tutte le regioni del cielo mentre gli altri fotoni derivano più direttamente dal sole. ÈSi inoltre importante notarenoti che, nonostante si usi il termine fotone, la teoria dello scattering di Rayleigh è stata sviluppata con l'elettromagnetismo classico, senza fare alcun ricorso alla [[meccanica quantistica]] e non utilizza alcun elemento fondamentale della fisica moderna.

Per lo stesso motivo la diffusione di Rayleigh è responsabile del colore rosso che assumono gli oggetti, le nuvole, etc. al tramonto o all'alba. In queste condizioni infatti i raggi solari attraversano uno spessore grandissimomaggiore di [[atmosfera terrestre]] e dunque incontrano un elevatomaggior numero di centri diffusori, cosicché non solo i fotoni blu, ma anche quelli gialli sono diffusi. Il risultato è che la luce solare è privata di tutte le componenti dello spettro eccetto il rosso. Il cielo tuttavia rimane blu a causa del gran numero di fotoni blu sempre diffusi nell'alta atmosfera.

A questo punto risulta naturale chiedersi il motivo per cui il cielo risulta essereè blu anziché viola poiché, in accordo con la legge di Rayleigh e della dipendenza inversa con la quarta potenza della lunghezza d'onda, sarebbe naturale aspettarsi un cielo di questo colore. CiòUno èdei dovutofattori principalmenteè aldato dal fatto che l'occhio umano risulta essere più sensibile alla lunghezza d'onda corrispondente alla luce blu anziché a quella viola avendo dei [[fotorecettori]] che possiedono un picco diuna sensibilità maggiore per questo colore.<ref>{{cita web|titolo=Why is the sky purple?|editore=Colorado State University|url=http://www.lsop.colostate.edu/wp-content/uploads/sites/20/2013/07/SkyIsPurple.pdf|accesso=30 luglio 2019|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20150915091556/http://www.lsop.colostate.edu/wp-content/uploads/sites/20/2013/07/SkyIsPurple.pdf|urlmorto=sì}}</ref> Inoltre, la luce che proviene dal sole è centratacomposta sulleda frequenzeun maggior numero di fotoni nel blu dellopiuttosto che nel viola. Il colore "celeste" che noi vediamo deriva quindi dalla sovrapposizione (una "[[media pesata]]") dei colori che ci arrivano dal cielo, soprattutto viola, blu e, in parte minore, spettroverde.

==Note==

<references/>

==Voci correlate==

* [[Effetto TyndallScattering]]

* [[ScatteringEffetto MieTyndall]]

* [[Scattering Mie]]

* [[Spostamento di Stokes]]

* [[Spettroscopia Raman]]

* [[Colore degli occhi#Occhi marrone chiaro]]

== Altri progetti ==

{{interprogetto}}

== Collegamenti esterni ==

* {{cita web|url=http://goldbook.iupac.org/R05160.html|titolo=IUPAC Gold Book, "Rayleigh scattering"|lingua=en}}

{{Controllo di autorità}}

{{portale|chimica|fisica}}

[[Categoria:FisicaScattering]]

[[Categoria:Spettroscopia]]