การกระเจิงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระทบวัตถุ จะเหนี่ยวนำให้เกิดประจุที่สั่นสะเทือนซึ่งจะแผ่รังสีซ้ำ ทำให้คลื่นกระเจิงไปในทิศทางใหม่

Definition

การกระเจิงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือกระบวนการที่คลื่นตกกระทบเหนี่ยวนำให้เกิดประจุและกระแสที่สั่นสะเทือนในวัตถุ ซึ่งจะแผ่รังสีคลื่นซ้ำไปยังทิศทางอื่น ๆ โดยมีลักษณะเฉพาะคือภาคตัดขวางและการกระจายเชิงมุมที่ขึ้นอยู่กับขนาดของวัตถุเมื่อเทียบกับความยาวคลื่นและคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของวัตถุนั้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการกระเจิงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยอนุภาคและสิ่งกีดขวาง: ภาคตัดขวางของการกระเจิงและการดูดกลืน, การกระเจิงแบบเรย์ลีโดยอนุภาคที่เล็กกว่าความยาวคลื่นมาก, การกระเจิงแบบมีโดยอนุภาคที่มีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่น, ทฤษฎีทางทัศนศาสตร์, และการขึ้นอยู่ของการกระเจิงกับขนาด รูปร่าง และดัชนีหักเห โดยเชื่อมโยงคลื่นตกกระทบกับการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาซ้ำโดยกระแสเหนี่ยวนำ

Core questions

• วัตถุแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบซ้ำได้อย่างไร?
• เหตุใดการกระเจิงแบบเรย์ลีจึงนิยมความยาวคลื่นสั้น?
• การกระเจิงเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อขนาดอนุภาคเข้าใกล้ความยาวคลื่น?

Key concepts

• ภาคตัดขวางการกระเจิง
• ภาคตัดขวางการดูดกลืน
• การกระเจิงแบบเรย์ลี
• การกระเจิงแบบมี
• ทฤษฎีทางทัศนศาสตร์
• ไดโพลเหนี่ยวนำ
• ภาคตัดขวางเชิงอนุพันธ์

Key theories

การกระเจิงแบบเรย์ลี

สำหรับอนุภาคที่เล็กกว่าความยาวคลื่นมาก ไดโพลที่ถูกเหนี่ยวนำจะแผ่รังสีซ้ำด้วยความเข้มที่แปรผกผันกับกำลังสี่ของความยาวคลื่น ซึ่งอธิบายสีฟ้าของท้องฟ้า

การกระเจิงแบบมี

สำหรับอนุภาคที่มีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่น ผลเฉลยสมบูรณ์ของสมการของแมกซ์เวลล์สำหรับทรงกลมจะให้ชุดอนุกรมมี ซึ่งมีรูปแบบเชิงมุมที่ซับซ้อนและการสั่นพ้องที่ขึ้นอยู่กับขนาดและดัชนีหักเห

Clinical relevance

ทฤษฎีการกระเจิงอธิบายสีและการโพลาไรซ์ของท้องฟ้า, การสำรวจระยะไกลในชั้นบรรยากาศและไลดาร์, ภาคตัดขวางของเรดาร์, การกระเจิงของแสงที่ใช้ในการวัดขนาดอนุภาคและศึกษาละอองลอยและคอลลอยด์, และการวินิจฉัยทางแสงในเนื้อเยื่อชีวภาพ

History

เรย์ลีอธิบายท้องฟ้าสีครามผ่านการกระเจิงโดยอนุภาคขนาดเล็กในช่วงทศวรรษ 1870 ลอเรนซ์และมี (โดยอิสระ) ในปี 1908 ได้แก้ปัญหาการกระเจิงโดยทรงกลมที่มีขนาดใด ๆ ซึ่งเป็นรากฐานสำคัญของทัศนศาสตร์ละอองลอย คอลลอยด์ และชั้นบรรยากาศในปัจจุบัน

Key figures

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

Seminal works

• mie1908
• bohren1983

Frequently asked questions

ทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า?

โมเลกุลในอากาศกระเจิงแสงอาทิตย์ด้วยการกระเจิงแบบเรย์ลี ซึ่งมีความเข้มข้นสูงกว่ามากสำหรับความยาวคลื่นสั้น (สีฟ้า) เมื่อเทียบกับความยาวคลื่นยาว (สีแดง) ดังนั้นแสงที่กระเจิงมาถึงเราจากทั่วท้องฟ้าจึงเป็นสีฟ้าเป็นส่วนใหญ่

ความแตกต่างระหว่างการกระเจิงแบบเรย์ลีและการกระเจิงแบบมีคืออะไร?

การกระเจิงแบบเรย์ลีใช้กับอนุภาคที่เล็กกว่าความยาวคลื่นมากและขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นอย่างมาก ในขณะที่การกระเจิงแบบมีใช้กับอนุภาคที่มีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่นและสร้างรูปแบบที่ซับซ้อนกว่าและไวต่อความยาวคลื่นน้อยกว่า เช่นเดียวกับละอองน้ำในเมฆ