산란

산란(散亂, 영어: scattering)은 어떤 매질을 직선 경로로 통과하는 빛, 소리, 움직이는 입자 등과 같은 방사(放射)가 하나 이상의 불균일성 원인에 의해 경로를 벗어나는 현상을 가리키는 일반적인 물리적인 과정이다. 일반적으로는 반사의 법칙이 예측한 경로가 아닌 방향으로 반사되는 방사에 대해서도 이 용어가 사용된다. 산란되는 반사를 보통 난반사라고 부르며, 산란되지 않는 반사를 정반사(또는 거울반사)라고 부른다.

산란을 일으키는 불균일성을 산란자(scatterer) 또는 산란중심(scattering center)라고도 한다. 그 종류는 일일이 나열할 수 없을 정도로 많지만 몇 가지 예를 들어보자면, 미립자, 기포, 유체의 밀도변화, 단결정고체의 결함, 거친 표면, 유기체의 세포, 천의 직물성섬유 등이다.

산란 이론에서는 모든 종류의 전달 파동, 움직이는 입자 등이 경로상에서 그러한 불균일성을 만나 나타나는 효과를 다룬다.

전자기 산란

가상 광자의 방출에 의해 두 개의 전자 사이에서 산란 하는 것을 파인먼 다이어그램이라한다. 전자기파는 가장 잘 알려진 그리고 일반적인 방사선의 산란을 받아 발생하는 형태이다. 빛과 전파, 특히 레이더의 산란은 특히 중요하다. 전자기 산란의 여러 가지 다른 측면들은 전혀 다른 충분한 기존의 이름을 가지고 있다. 탄성이 있는 빛의 산란의 중요한 형태(무시할 정도의 에너지의 이동을 포함하는)는 레일리 산란과 Mie 산란이다. 비탄성 전자기 산란 효과는 Brillouin산란, Raman 산란, 비탄성 X-ray산란과 Compton산란을 포함하고 있다. 두 개의 중요한 물리적 공정중의 하나는 빛의 산란이다. 이는 눈에 띄는 물체의 모양과 다른 하나는 흡수에 기여한다. 물체의 표면에서 빛의 산란은 거의 완전한 모습으로 표면에서 흰색과 같이 설명되고 있다. 표면산란의 부족은 반짝이는 외관이나 광택의 이유가 된다. 빛의 산란은 또한 어떤 물체에 색을 줄 수 있고, 보통 파란그림자를 사용한다. 그러나 나노입자에서 공명의 빛의 산란은 다른 고도의 짙은, 활기찬 색을 생산할 수 있다. 특히 표면 plasmon공명을 포함할 때 그렇다. Rayleigh 산란은 전자기 방사선에서(빛을 포함한)입자 거품, 작은 물방울, 또는 균일한 밀도와 같이 상이한 굴절의 지표에 관계되는 작은 구의 부피에 의해 산란되는 과정이다.

이 효과는 그것의 이름을 딴 Rayleigh에 의해 처음으로 성공적으로 만들어졌다. Rayleigh의 모델에 적용하면 구는 산란된 파의 파장 (λ) 보다는 직경에서 매우 더 작아야 한다; 전형적으로 파장의 1/10의 보다 빠른 한도가 걸린다.

이 일정한 크기에서는, 산란중심의 정확한 모양은 보통 아주 중요하지 않고 동등한 부피의 구로 다뤄질 수 있다.

본래의 산란 방사선은 Rayleigh 모델에 적용될 수 있을 정도로 충분히 작은 가스 분자가 이리저리 이동하는 것과 같은 미시적인 밀도변화 때문에 순수한 기체를 통해지나가는 것을 겪게 된다.

이 산란 메커니즘은 맑은 날 지구의 하늘이 파란 기본적인 이유이다. Rayleigh의 유명한 1/λ 4관계에 따라서 머리 위를 지나가는 햇빛의 파장이 짧은 푸른색은 보다 먼 빨간색의 파장보다 더 강하게 산란이 된다.

흡수와 함께, 산란과 같은 것은 대기권 옆에 방사선의 감쇠에 중요한 원인이다. 산란의 정도는 편광, 각 그리고 응집과 같은 많은 요인과 함께 방사선 파장의 입자 지름의 비율의 기능으로 변화한다.

큰 직경에서 구면이 처음으로 Gustav Mie에 의해 해결된 전자기 산란과 Rayleigh범위보다 큰 구에 의한 산란의 문제점은 일반적으로 Mie 산란으로 알려져 있다.

Mie 체제에서 산란 중심의 형태는 훨씬 더 중요하게 되고 이 이론은 오직 구와 일부 변형이 있는 구, 회전 타원체(spheroids)와 타원체(ellipsoids)의 근원을 적용한다

어떤 다른 simple 형태에 의한 산란을 위해 Closed-form solution이 존재하지만 일반적인 closed-form solution은 임의의 형태에 대해서 알려져 있지 않다.

Mie와 Rayleigh 산란 모두 탄성산란과정으로 간주된다. 즉 빛의 (그리고 파장과 주파수)에너지가 실질적으로 변하지 않는다.

그러나 전자기 방사선은 LIDAR과 레이저 같은 기술의 형태로 산란 중심(들)의 속도를 측정하고 발견할 수 있는 Doppler 이동을 겪는 산란 중심의 움직임에 의해 산란한다.

이 이동은 근소한 에너지 변화를 포함한다.

10정도 이상의 파장에 대한 입자 직경의 비율 값에서 이 기하학적 시각의 법칙은 대부분 빛과 입자의 상호작용을 표현하기에 충분하고, 여기서 보통 이 상호작용은 산란이라고 하지 않는다.

산란의 모델링을 할때 레일리와 산업엔지니어링 모델이 불규칙하게 형성된 입자와 같이 적용되지 않을 경우에 대비하여 사용될수 있는 수많은 방법이 있다.

가장 보편적인 것은 산란된 전자기장의 분배를 찾아내기 위해 맥스웰 방정식을 푸는 방법이다.

정교한 소프트웨어 패키지는 존재한다

또 다른 특별한 EM산란은 응집된 backscattering(후방산란이다.)

이것은 응집된 방사(레이저 빔같은)가 그것을 통하여 순회하는 동안 파동이 여러번 산란할수 있게 하는 매우 많은 수의 산란중심을 가지고 있는 매질을 통하여 퍼져나갈 때 발생하는 상대적으로 모호한 현상이다.

두꺼운 구름모양은 다수의 산란의 종류의 전형적인 예이다.

응집되지 않은 방사에서 산란은 전형적으로 후방향의 최대한으로 좁은 지역에 한정되는 곳에 도달한다. 하지만 응집된 backscattering(후방산란) 최고점은 만약 빛이 뒤죽 박죽이라면 그 단계보다 2배나 더 높아지게 될 수도 있을 것이다.

이 두가지 이유를 위해 검출하고 측정하는것은 매우 어렵다.

첫 번째 이유는 상당히 명백하다. 광선의 막힘이 없이 직접적인 후방산란을 측정하는 것이 어렵다는것이다. 하지만 이 문제를 극복할 방법들은 있다.

두 번째 이유는 최고점 후방향 주위가 대개 극히 날카로워서 매우 높은 단계의 각 해결이 필요하다. 강도가 크게 잠깐 잠기는것을 견딜수있는 곳에서 그것의 둘러싼 각들을

넘어있는 강도를 평준화하는것 없이 최고점을 보는 감지기를 위해서 후방산란 방향, 가벼운 강도 이외의 각들은 본질적으로 작은 반점이라고 불리는 순서없는 방대한 파동에 지배를 받는다.

이것은 가장 강한 간섭 현상중 하나이다.

그것은 다중의 산란보다 오래 살고 약한 localization로 알려진 양자 기계적 현상 의 한 부분으로 여겨진다. 약한 localization에서 정 방향과 역방향의 통로의 간섭은 앞 방향에서의 한 net 저하를 이끈다.

이 현상은 다중의 산란인 간섭성의 파장(wave)의 전형적인 것이다.

그것은 전형적으로 빛 파장으로 논의된다. 그리고 그것은 약한 localization 현상 과 비슷하다. localization 현상은 어지러운 (반)도체의 전자를 위한 것이다.

backscattering의 방향에서 빛 강함의 상승이 명백해질 때 약한 빛의 localization은 탐지될 수 있다. 응집된 backscattering 은 backscattering 의 방향에서 정방향과 역방향의 사이에서의 간섭에 기원을 두고 있다.

다중의 산란 매체가 레이져 빔에 의해 조명될 때 간섭의 강함은 다양한 확산의 통로에 결합한 진폭(무정열한 매질)들의 사시에서의 간섭으로부터 결과된다. 간섭 terms은 과잉된 원자배열을 통해 균등 분배될 때 소멸되며 향상된 평균강도에 있는 backscattering은 정밀한 각도 범위에서 제외된다.

이 현상은 많은 sin 곡선의 합쳐진 두 개의 파장의 결과이다. Cone은 후에 한 point-like 재료에 의해 비추어질 때 , 표면의 확산된 빛의 강도의 공간적 분포의 Fourier transform 이다.

<<Fourier transform>>

e^(iω0x) = cos(ω0x) +isin(ω0x)

향상된 backscattering은 역방향 통로들 사이에서 구조상의 간섭에 의지한다.

두가지 회절 slits 은 “input”과 “output” 확산의 장소에서 위치지어질 수 있는 곳에서Young의 간섭 실험으로 한가지 유사함을 만들 수 있다.