A Föld felszínén a természetes megvilágítást mindig ugyanaz a fehér napfény biztosítja, mégis, az égbolt nappal kék színben pompázik, viszont naplemente (és napfelkelte) idején vörösben:
Magyarázat
A jelenség oka a brit fizikus, Rayleigh által 1871-ben publikát törvényszerűség, miszerint az elektromágneses sugárzás látható tartománya (fény) a levegő oxigén- és nitrogénmolekuláival ütközve szóródik, azaz oldalirányban eltérül. Az effektus valószínűsége $\displaystyle \frac{1}{\lambda ^4}$-nel egyenesen arányos, azaz a $\lambda$ hullámhossz 4-edik kitevőjével fordítottan arányos, vagyis a rövidebb hullámhosszúságú kék (ibolya) fény esetén szóródási valószínűség nagyobb, a vörösre pedig kisebb. Konkrétan a látható tartomány $\lambda=400\ \mathrm{nm}$ hullámhosszúságű ibolya vége a nagy hullámhosszú végen lévő $\lambda=700\ \mathrm{nm}$-es vöröshöz képest
$$\frac{700^4}{400^4}=\left(\frac{7}{4}\right)^{\! 4}=1,75^4=9,4$$
Tehát 9,4-szer nagyobb valószínűséggel szóródik az ibolya színű foton, mint a vörös.
A Napból érkező fehér fény kevert összetételű (mindenféle hullámhosszúságot tartalmaz). Ha ilyen fénynyaláb halad levegőben, akkor a kék komponenes nagyobb eséllyel szóródik ki a nyalábból oldalirányba. Ezeket az oldairányba kiszóródott fotonokat látjuk, amikor felnézünk az égre (nem a Nap irányába). A fejünk fölött elhaladó fénynyalábokból sok kék foton szóródik ki oldalirányba, és jut el a szemünkbe, míg a vörös fotonok inkább továbbhaladnak, így az égbolt színe kékesfehér lesz. Azért kékesfehér (nem pedig mélykék), mert mélykék akkor lenne, ha kizárólag kék színű fotonok érkeznének a szemünkbe, vagyis a többi hullámhossz egyáltalán nem szóródna, azonban minden szín szóródik, csak különböző valószínűségekkel.
A naplemente és napfelkelte ugyanígy lesz vörös fényű: az alacsony szögben lévő (közel vízszintesen látszó) Nap fénye a szemünkbe úgy jut el, hogy hosszú utat kell megtennie a légkör alsó, sűrű rétegeiben, így a fehér fényből olyan sok kék komponens szóródik ki, hogy a maradék, továbbhaladóban a vörös aránya nagyobb lesz, mint kezdetben volt, így a naplementekor a szemünkbe jutó napfény vöröses.
Miért nem módosul a foton hullámhossza a molekulán történő szóródáskor, ahogy a Compton-szórásnál?
Compton-szórásnál a foton egy (nyugvónak vett) elektronnal ütközik, meglöki azt, és az eredeti irányhoz képest mindketten "ferdén" repülnek ki a kölcsönhatásból, a keletkező foton energiája pedig kisebb lesz, mint a bejövőé volt, azaz megnő a foton hullámhossz.
A foton a Rayleigh-szóráskor, a levegőmolekulával ütközve is eltérül, vagyis az eredeti irányára merőleges impulzusra tesz szert. Ez csak úgy lehetséges, ha a meglökött molekula ezzel a merőleges impulzussal ellentétes irányú impulzust kap az ütközésben a fotontól. De ha a molekula kap imulzust, akkor az azzal is jár, hogy energiát is kap, és ezt nem tudja mástól elvenni, mint a fotontól, vagyis a kirepülő ún. szórt foton kisebb energiájú kell legyen, mint az eredeti, bejövő foton volt. Azonban ez esetben a szórócentrum" szerepű molekulának sok ezerszer nagyobb a tömege, mint a Compton-szórásban "szórócentrum" elektronnak. A fotonnak pedig nincs is tömege, ezért a jelenség ahhoz hasonlít, mint amikor egy ping pong labda nekiütközik a falnak, és visszapattan róla. A fal "végtelen nagy tömegű" a ping pong labdához képest, így a ping pong labda által a falra kifejtett erő $F$ erő csak elhanyagolhatóan kicsi gyorsulást okoz a falnak, vagyis a fal sebessége szinte állandó marad (lásd itt a 2. speciális esetet).
Ugyanezt a lendületváltozásokkal végiggondolva: mivel a ping pong labda tömege kicsi, így hiába változik az impulzusa
$$p_2-p_1=(-mv)-mv=-2mv$$
értéket, ez nagyon kicsi impulzusváltozást jelent, ami a nagy tömegű falon rettenetesen kicsi sebességváltozást okoz. És mivel a mozgási energia a sebesség négyzetével arányos:
$$E^{\mathrm{mozg}}=\frac{1}{2}mv^2$$
ezért a fal mozgási energiája még ennél is kisebb mértékben változik, vagyis szinte semmit. Úgy szokás ezt mondani, hogy "egy nagyon nagy tömegű test az ütközésben csak impulzust vesz át, energiát nem". Így a levegőmolekulákkal ütköző látható fotonok a szóródáskor csupán elhanyagolhatóan kicsi hullámhosszváltozást szenvenek el, vagyis a kék foton a szóródáskor nem válik nagyobb hullámhosszúságú (kisebb energiájú) zöld fotonná, pláne nem vörössé, hanem kék színűként halad tovább a szóródáskor.
De hát ha a fotonak nincs tömege, ahhoz képest nemcsak a levegőmolekula tömege végtelen nagy, de már az elektron tömege is, nem? Valójában a szórási formula szerint a hullámhosszváltozás:
$$\Delta \lambda=\frac{h}{mc}(1-\cos{\Theta})$$
ahol $h$ a Planck-állandó, $m$ a részecske tömege, amin szóródik a foton, és $\Theta$ a foton irányváltozási szöge.Látható, hogy minél nagyobb a szóró részecske $m$ tömege, annál kisebb a foton $\Delta \lambda$ hullámhosszváltozása. Tehát valójában Rayleigh-szóráskor is megváltozik a foton hullámhossza, de csak jelentéktelen mértékben.