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)とは、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ることによって、空が青く見えるというものである。レイリー散乱という名は、この現象の説明を試みたレイリー卿にちなんで名付けられた[1][2][3][4][5]

理論[編集]

散乱波の波長 λ と散乱粒子の直径 d に関わるパラメータとして、円周率 π係数としたサイズパラメータ

があり、α ≪ 1 はレイリー散乱、α ≈ 1ミー散乱α ≫ 1幾何光学近似で表現できる。

微粒子近似[編集]

入射光の電磁場のうちの電場微粒子の電場に作用し、粒子内の電子が強制的に振動させられて双極子モーメントが励起されることによって起こる[6]。したがって、粒子が振動数 ν0 の双極振動子で、ν0 が入射光の振動数 ν に比して νν0 の場合、散乱強度 I

となる。ここで、I0 は入射光の強度、N, m, e は振動子の数と質量および電荷c光速である[7]

また、上式で ν4/c4 = λ−4 なので、粒子が波長に比べて十分小さい場合、散乱強度は入射光の波長の4乗に反比例し、下式で与えられる[8]

ここで、R は粒子までの距離θ は散乱角、n屈折率である。この式は、粒子の体積 V を用いると

と表す事も出来る[7]

さらに、散乱断面積 σs は散乱強度の式を全立体角にわたって積分することで、下式によって求められる[9][10]

この式から、波長の短い青色の光が波長の長い赤色の光よりも多く散乱されることが説明される。夕焼けや朝焼けは、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って起こる。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。

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

脚注[編集]

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出典

参考文献[編集]

原論文[編集]

書籍[編集]

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。
  • トムソン散乱 - 散乱体となる粒子が自由電子などの荷電粒子とした場合の散乱。
  • アルドノア・ゼロ - アニメ作品。主人公は空が青い理由がレイリー散乱であることを知っているが、主人公と敵対する登場人物は空が青い理由を屈折だと思い込んでおり、この知識の差が両者の陣営を見分けるポイントとなる。

外部リンク[編集]