레일리 산란

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레일리 산란은 일몰 후에 더 잘 나타난다. 이 사진은 500m 고도에서 약 일몰 1시간 후에 해가 진 지펑선을 촬영하였다.

레일리 산란(Rayleigh scatterng)은 전자기파가 파장보다 매우 작은 입자에 의하여 탄성 산란되는 현상이다. 빛이 기체나 투명한 액체 및 고체를 통과할 때 발생한다. 대기 속에서의 태양광의 레일리 산란은 하늘이 푸르게 보이는 주된 이유다.

역사[편집]

존 윌리엄 스트럿 레일리가 1871년부터 레일리 산란의 이론을 도입하였다.[1][2][3][4]

전개[편집]

산란 입자의 크기는 그것의 특성인 반경 r과 파장λ의 비 x로 변수화 되었다.

 x = \frac{2 \pi r} {\lambda} .

레일리산란은  x \ll 1 인 작은 크기일 때 일어난다고 정의할 수 있다. 큰 구형 입자에서의 산란은 임의의 크기 x에 대한 미 이론에 의해 설명 될 수 있다. 미 이론은 레일리 근사를 감소시킨다. 광선에서 일어나는 레일리 산란의 양은 입자의 크기와 빛의 파장에 따라 다르다. 빛의 세기 I는, 편광되지 않은 파장λ이고 강도I0인 빛이 작은 입자로 흩어진다.

 I = I_0 \frac{ 1+\cos^2 \theta }{2 R^2} \left( \frac{ 2 \pi }{ \lambda } \right)^4 \left( \frac{ n^2-1}{ n^2+2 } \right)^2 \left( \frac{d}{2} \right)^6

단, R은 입자의 거리, θ는 산란각, n은 입자의 굴절지수, d는 입자의 직경이다.

분자에서의 레일리산란[편집]

분자에서의 레일리산란도 가능하다. 각각의 분자는 굴절률과 반경이 잘 정의되어 있지 않아도 상관없다. 대신 분자는 극갈림도 \alpha를 갖는데 이것은 분자에 있는 전하가 전기장에서 얼마나 많이 움직이는지 기술한 것이다. 이 경우에 단일 입자에 대한 레일리산란 강도는 다음과 같이 주어진다.

I = I_0 \frac{8\pi^4\alpha^2}{\lambda^4 R^2}(1+\cos^2\theta).

레일리 단일 입자로부터의 레일리산란의 양은 또한 단면적 \sigma에 의해 표현될 수 있다. 예를 들면, 대기의 주 요소인 질소는 532nm(녹색광)파장에서 5.1×10-31 m2의 레일리 단면적을 갖는다. 이것은 대기압에서, 1m움직이는 동안 빛이 10-5분의 1만큼 산란 된다는 뜻이다. 산란이 파장에 강하게 의존한다는 것은 청색광이 적색광보다 잘 산란된다는 것을 의미한다. 대기에서 청색 파장이 더 긴 파장(붉은 파장)보다 큰 범위로 산란된다는 이 결과로 인해 하늘을 보았을 때 푸른색으로 보이게 된다.

참고 문헌[편집]

  1. Strutt, John (1871년). On the light from the sky, its polarization and colour. 《Philosophical Magazine》 41: 107-120, 274-279. doi:10.1017/CBO9780511703966.009.
  2. Strutt, John (1871년). On the scattering of light by small particles. 《Philosophical Magazine》 41: 447-454. doi:10.1017/CBO9780511703966.010.
  3. Strutt, John (1881년). On the electromagnetic theory of light. 《Philosophical Magazine》 12: 81-101. doi:10.1017/CBO9780511703966.075.
  4. Strutt, John (1899년). On the transmission of light through an atmosphere containing small particles in suspension, and on the origin of the blue of the sky. 《Philosophical Magazine》 47: 375-394. doi:10.1017/CBO9780511703997.052.

같이 보기[편집]