光散乱

光散乱：光と物質の相互作用

光散乱とは、光が物質に入射した際に、吸収と同時に様々な方向に放出される現象です。この現象は、物質の性質や光の波長、そして物質の構造など、様々な要因によってその特性が変化します。

光散乱の原理

光散乱の原理は、古典論と量子論の両方の視点から理解することができます。

古典論による説明

古典論では、光散乱は入射光によって誘起された電気双極子の振動から二次波が放出される現象として説明されます。多くの原子が不規則に分布している場合、それぞれの原子から放出される二次波の強度の和として観測され、これが光散乱として現れます。一方、原子が規則正しく密に分布している場合は、二次波は互いに干渉し合い、特定の方向以外では強度が0になります。この干渉によって残った波が反射波や屈折波となります。つまり、光散乱は物質の不均一性に起因する現象と言えるでしょう。

量子論による説明

量子論では、光散乱は光と物質の相互作用による二光子過程の遷移として捉えられます。クラマース・ハイゼンベルクの分散式(K-H分散式)が基本公式となり、断熱近似とPlaczek近似を用いることで、分子の分極率テンソルで近似的に表現されます。

光の弾性散乱は分極率の平均値によって生じ、レイリー散乱と呼ばれます。一方、非弾性散乱は分極率の揺らぎによって生じ、ラマン散乱と呼ばれます。

様々な光散乱

光散乱には様々な種類があり、散乱体の大きさや光の波長、散乱の性質によって分類されます。

微粒子による散乱

レイリー散乱:光の波長よりも小さい粒子による弾性散乱。散乱光の強度は波長の4乗に反比例します。空が青く見えるのは、大気中の窒素や酸素分子によるレイリー散乱が原因です。
ミー散乱:光の波長よりも大きい粒子による散乱。粒子径、屈折率、波長によって散乱強度が複雑に変化します。雲が白く見えるのは、雲を構成する水滴によるミー散乱が原因です。

電子による散乱

トムソン散乱:電子による長波長光の弾性散乱。
コンプトン散乱:電子による短波長光の非弾性散乱。

フォノンなどによる散乱

ブリュアン散乱:音波や音響フォノンによる非弾性散乱。
ラマン散乱:光学フォノンによる非弾性散乱。ラマン分光法は、物質の分子構造や振動状態を調べるために用いられます。

光散乱現象の例

光散乱は、私たちの身の回りで様々な現象として観測できます。

空の青さ:大気中の分子によるレイリー散乱
雲の白さ:水滴によるミー散乱と多重散乱
牛乳の白さ:カゼインミセル(レイリー散乱)と脂肪球(ミー散乱)
チンダル現象:コロイドによる光の散乱

光散乱の応用例

光散乱の原理は、様々な分野で応用されています。

動的光散乱法:ナノスケールの粒子の粒径分布測定
マイクロ波レーダー:雨や雪の観測
ラマン分光法:物質の分子構造や物性測定
マイクロ波散乱計:海面の波浪観測

光散乱は、物質の性質を理解し、様々な技術に応用するための重要なツールとなっています。今後も、更なる研究の発展が期待されます。

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