散乱（物理学・光学）

主な種類

• レイリー散乱 — 波長よりはるかに小さい粒子による弾性散乱。空が青く見える理由を説明する。
• ミー散乱 — 波長と同程度の大きさの粒子による散乱。雲、霧、エアロゾルにとって重要である。
• ラマン散乱 — 分子振動を励起して波長を変化させる、光の非弾性散乱。分光法に用いられる。
• コンプトン散乱 — 高エネルギー光子が電子によって起こす非弾性散乱。X線およびガンマ線の物理学で重要である。
• このほか、弾性・非弾性、コヒーレント・インコヒーレントという分類や、ブリルアン散乱、ラザフォード散乱などの専門的な形態がある。

機構の面では、散乱は運動量とエネルギーを再配分する電磁気的相互作用または量子相互作用から生じる。多くの文脈では、その効果は散乱断面積によって表される。これは、角度およびエネルギーに応じた散乱の確率を測る量である。コヒーレント散乱では位相関係が保たれ、干渉縞が生じうるのに対し、インコヒーレント散乱では位相がランダム化される。

大気中の散乱は、日常的に見られる身近な例をもたらす。微小な空気分子は短い、すなわち青い波長を選択的に散乱する。これはレイリー散乱の領域であり、昼間の空を青く見せるほか、光がより厚い大気を通過する際には赤い夕焼けを生じさせる。水滴のようなより大きい粒子は、広い角度に及び、波長への依存性がより小さいミー散乱を起こすため、雲は白色または灰色に見える。

散乱は幅広い実用的重要性をもつ。リモートセンシングやライダーは、散乱光を利用して大気や地表面の特性を調べる。ラマン散乱は化学物質の指紋識別を可能にし、素粒子物理学における散乱実験は原子や原子核の内部構造を明らかにする。光学では、レイリー散乱は光ファイバーでの伝送を制限し、光学的損失の一因となる。医用画像や超音波においても、組織内で生じる音響散乱または光散乱の理解が必要である。

歴史的には、散乱光の観察であるチンダル効果が、レイリー卿らによる理論的説明へとつながった。その後、ラザフォードによるアルファ粒子の研究やコンプトンによるX線の研究など、目的を定めた散乱実験は現代物理学の礎となった。散乱を吸収、反射、屈折から区別することは、波が物質に出会う際にエネルギーがどのように再配分されるかを明確にし、科学・工学にわたる実用的な応用を導く。