レイリー散乱

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日没1時間後に高度500mから見た日没方向の水平線

レイリー散乱(レイリーさんらん、Rayleigh scattering)(レイリー卿ジョン・ウィリアム・ストラットにちなむ)は、波長よりも小さいサイズの粒子による光の散乱である。透明液体や固体中でも起きるが、典型的な現象は気体中の散乱であり、太陽光が大気で散乱されて、空が青くみえるのはレイリー散乱による。

散乱の量は粒子の大きさと光の波長による。散乱係数は波長の4乗に反比例する。

レイリー散乱の散乱係数ks は下式のようになる。

 k_s = \frac {2 \pi^5} {3} n  \left( \frac {m^2 - 1} {m^2 + 2} \right)^2 \frac {d^6} {\lambda^4}
nは粒子数
dは粒子径
mは反射係数
λは波長

これから波長の短い青は赤よりも多く散乱される。「夕焼け」・「朝焼け」は太陽と観測者の間に大気の存在する距離が日中と比べて長くなり、散乱を受けにくい赤色が届くことによる。一方で、日中には波長が短い青が観測者の方に散乱されることにより、空全体が青く見える。

光の波長と同程度以上のサイズの粒子(散乱体)による光散乱は粒子を球形と仮定した場合ミー散乱理論で扱われる。

光学計測にも用いられ、特徴としては、信号強度が分子数密度に比例し、分光法より高強度であることが挙げられる。トレーサとしては散乱断面積の大きい物質が用いられる。

散乱係数の波長と散乱粒子の大きさに関わるパラメータとしてサイズパラメータ

 \alpha = \frac {\pi D} {\lambda}
D:粒子直径
λ:波長

があり、

 \alpha \ll 1 はレイリー散乱、
 \alpha \approx 1 ミー散乱
 \alpha \gg 1  は幾何光学近似で表現できる。

関連項目[編集]

  • ミー散乱 - レイリー散乱と違い、光の波長と同程度かそれよりも大きいサイズの粒子による光の散乱。