電磁波の散乱

電磁波が物体に遭遇すると、振動する電荷を誘起し、それが再放射されて電磁波を新たな方向に散乱させます。

Definition

電磁散乱とは、入射波が物体内に振動する電荷と電流を誘起し、それらが電磁波を他の方向に再放射するプロセスです。これは、物体の波長に対する相対的なサイズと電磁特性に依存する断面積と角度分布によって特徴付けられます。

Scope

このトピックでは、粒子や障害物による電磁波の散乱について扱います。散乱断面積と吸収断面積、波長よりはるかに小さい粒子によるレイリー散乱、波長と同程度の粒子によるミー散乱、光学定理、そして散乱がサイズ、形状、屈折率に依存することについて説明します。入射波と誘起電流によって再放射される放射との関連付けを行います。

Core questions

• 物体は入射電磁波をどのように再放射するのでしょうか？
• なぜレイリー散乱は短波長を優遇するのでしょうか？
• 粒子サイズが波長に近づくと散乱はどのように変化するのでしょうか？

Key concepts

• 散乱断面積
• 吸収断面積
• レイリー散乱
• ミー散乱
• 光学定理
• 誘起双極子
• 微分断面積

Key theories

レイリー散乱

波長よりはるかに小さい粒子の場合、誘起された双極子は波長の4乗に反比例する強度で再放射し、空の青い色を説明します。

ミー散乱

波長と同程度の粒子の場合、球に対するマクスウェル方程式の完全な解はミー級数を与え、サイズと屈折率に依存する複雑な角度パターンと共鳴を示します。

Clinical relevance

散乱理論は、空の色と偏光、大気リモートセンシングとライダー、レーダー断面積、粒子径測定やエアロゾルおよびコロイド研究に用いられる光散乱、そして生体組織における光学的診断を説明します。

History

1870年代にレイリーは、小さな粒子による散乱を通じて空の青さを説明しました。ローレンツと、独立してミーは1908年に、任意のサイズの球による散乱を解き、現在ではエアロゾル、コロイド、大気光学の中心的な枠組みを提供しました。

Key figures

• John William Strutt (Lord Rayleigh)
• Gustav Mie
• Ludvig Lorenz

Seminal works

• mie1908
• bohren1983

Frequently asked questions

なぜ空は青いのですか？

空気分子はレイリー散乱によって太陽光を散乱させます。この散乱は、長い（赤い）波長よりも短い（青い）波長に対してはるかに強いため、空全体から私たちに届く散乱光は主に青色になります。

レイリー散乱とミー散乱の違いは何ですか？

レイリー散乱は波長よりはるかに小さい粒子に適用され、波長に強く依存します。一方、ミー散乱は波長と同程度の粒子に適用され、雲の中の水滴のように、より複雑で波長依存性の低いパターンを生成します。