spredning - fysikk

Hovedgrunnen til at himmelen er blå og solnedgangen rød er Rayleigh-spredning fra molekyler i lufta. Det elektriske feltet i lysbølgen fra sola tar tak i ladningene i molekylet og får dem til å svinge i samme takt som bølgen. Molekylet virker dermed som en antenne (eller svingende dipol) som sender ut en ny bølge i alle retninger (unntatt i svingeretningen). Dette skjer mer effektivt dess høyere frekvensen er, så blått lys spres mer enn rødt. Himmelen blir derfor blå, mens solnedgangen blir rød.

av . CC BY SA 3.0

Spredning er det at når stråling går gjennom materie, oppstår det stråling i andre retninger samtidig som intensiteten av den opprinnelige strålen avtar. Spredning opptrer både ved bølge- og partikkelstråling og skyldes at de enkelte bølgene eller partiklene i strålen støter mot og kastes tilbake fra små hindringer.

Ved elastisk spredning overføres det ikke energi fra strålen til hindringen. Da består den spredte strålingen av bølger med samme bølgelengde som, eller partikler med samme energi som, den innkommende strålen.

Hvis partikkelenergien er vesentlig mindre eller bølgelengden vesentlig større i den spredte bølgen, kalles spredningen uelastisk.

Spredning av bølger

Når en bølge møter en hindring (et område med et inhomogent materiale), vil deler av bølgen reflekteres til forskjellige retninger. For lys vil dette kunne beskrives som at det elektriske feltet i lysbølgen tar tak i ladningene i hindringen og setter disse i svingninger. De akselererte ladningene sender igjen ut nye bølger, akkurat som i en antenne. Disse nye bølgene er det spredte lyset.

Koherent spredning er elastisk spredning hvor det er et bestemt forhold mellom fasen til den innkommende og den spredte bølgen. Som regel er elastisk spredning koherent. Ved koherent spredning mot hindringer i regelmessig mønster (gitter) kan det oppstå karakteristiske interferensbilder. Fenomenet betegnes da diffraksjon eller bøyning. Se lys og gitter.

Spredning av partikler

Spredning av ladede partikler skyldes hovedsakelig elektrostatiske krefter mellom partiklene. Dette kalles Coulomb-spredning. Rutherford-spredning er coulombspredning av protoner og alfapartikler mot atomkjerner.

Spredningstverrsnitt

Sannsynligheten for spredning av bølger beskrives ved spredningsamplituden. Det er amplituden av den spredte bølgen i en bestemt retning i forhold til amplituden av den innkommende bølgen.

Hvor mye som spres, angis også med spredningstverrsnittet (som er en form for virkningstverrsnitt). Spredningstverrsnittet er det arealet man må tillegge hindringen om man tenker seg at den er fullstendig effektiv til å spre den innkommende bølgen.

Hvis bølgen sees på som en strøm av partikler, vil hindringen spre så stor andel av partiklene som den andelen som møter et areal lik spredningstverrsnittet. Vi antar da at partiklene er punktformede.

Ulike spredningsmekanismer

Ved lengre bølgelengder av synlig lys og infrarød stråling foregår elastisk spredning vesentlig som Rayleigh-spredning, hvor bundne elektroner settes i tvungne svingninger med samme frekvens som den innkommende strålingen. Disse elektronene vil dermed sende ut nye bølger, som er det spredte lyset. Elektronene sender ut mest normalt (rettvinklet) på bevegelsen sin, og dermed vil det ikke spres like mye i alle retninger.

Rayleigh-spredningen øker raskt med frekvensen, det vil si at kortbølget lys spres mer enn langbølget. Derfor vil sollys som spres i luften, og så treffer øynene våre, være dominert av kortbølget lys. Dette er hovedårsaken til at himmelen er blå.

Når solen er nær horisonten, vil lyset som slipper gjennom luften fra solen til oss være dominert av mer langbølget lys. Solen ser da rød ut.

Rayleigh-spredningen er proporsjonal med frekvensen i fjerde potens. Hvor mye lyset spres i de ulike retningene er avhengig av polarisasjonen til det innkommende lyset. Dette gjør at den blå himmelen består av delvis polarisert lys, noe man vil kunne oppdage hvis man dreier på polariserende solbriller.

Elastisk spredning av fotoner (elektromagnetisk stråling) mot frie elektroner, eller elektroner med liten bindingsenergi i forhold til fotonets energi, kalles Thomson-spredning. Prosessen finner særlig sted i røntgenområdet. Tilsvarende spredning av gammastråling mot atomkjerner kalles Delbrück-spredning. Compton-spredning er uelastisk spredning av røntgen- og gamma-stråling (se Compton-effekt).

Resonansfluorescens er spredning av fotoner med energi som svarer til energien mellom to energinivåer i et atom eller molekyl. Den er karakterisert ved stort spredningstverrsnitt og kan i det synlige området sees for eksempel når en stråle av hvitt lys går gjennom et rør med natriumdamp. Dampen sprer da det karakteristiske gule lyset i alle retninger, mens strålen for øvrig ikke spres merkbart.

Raman-spredning er inelastisk spredning hvor hvert foton avgir en energimengde som svarer til eksitasjon av et atom. Av opplysninger om energi- og vinkelavhengighet ved spredning av fotoner kan det trekkes viktige slutninger om atomenes struktur.

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg