1. 개요
산란(散亂, scattering)은 어떤 파동이나 입자선이 물체와 충돌하여 여러 방향으로 흩어지는 물리학적 현상이다. 하늘이 푸른 색으로, 안개 속, 구름이 하얗게 보이는 이유가 산란 때문이다.레일리 산란이나 미 산란 등은 입자에 속박된 전자가 전자기파의 전기장 성분에 의해 진동하면서 방출되는 쌍극자 복사의 일종으로 볼 수 있으며, 이에 따라 산란광은 어느 정도의 편광을 보인다. 자유 전자와 전기장 성분 간의 상호작용에 의해 일어나는 산란은 이들과 구분해서 톰슨 산란으로 부른다. 이들 산란은 산란광과 입사광의 주파수가 동일하며, 탄성 산란으로 불린다.
반면 전자의 운동에너지에 비해 광자의 에너지가 매우 크거나 메우 작으면 산란광의 주파수(광자 에너지에 비례)가 커지거나 작아지는 비탄성 산란이 일어나며, 이들은 광자의 에너지 변화에 따라 콤프턴 산란이나[1] 역 콤프턴 산란[2]으로 부른다.
2. 톰슨 산란
Thomson scattering자유 전자가 전자기파와의 상호작용에 의해 진동하면서 일어나는 산란으로, 가장 단순한 형태의 탄성 산란이다. 전자기파의 전기장에 의해 전자가 받는 힘을 바탕으로 전자기파에 의해 전자에 작용하는 가속도를 구한 뒤, 이를 하전입자의 가속운동에 따른 전자기파의 방출을 나타내는 공식인 라모 공식(Larmor's Formula)에 넣으면 간단히 유도된다.
산란된 복사는 완전 선형 편광되며, 편광의 방향은 복사의 입사 방향에 수직이다. 산란 단면적은 파장에 상관없이 0.655×10-29 m2로 일정하여, 빛이 산란되는 정도는 파장에 상관없이 동일하다.
자연적으로는 활동은하핵이나 전리수소영역과 같이, 강한 복사원을 이온화된 가스가 감싸고 있는 환경에서 톰슨 산란을 관찰할 수 있고, 편광을 관측하여 톰슨 산란을 확인할 수 있다. 대체로 전리된 플라즈마에 의해 일어나는 산란이 톰슨 산란에 해당한다.
3. 레일리 산란
Rayleigh scattering자유 전자에 의해 일어나는 톰슨 산란과 달리 원자 내에 속박된 전자가 일으키는 산란으로, 그 중 입자의 크기가 전자기파의 파장에 비해 매우 작을 때 일어나는 현상이다. 하늘이 푸른 색으로 보이는 것과 노을이 일어나는 이유이다.
파장이 미립자를 통과하면서 전방위로 균등하게 확산한다. 방향에 따른 확산은 톰슨 산란의 경우와 유사한 경향을 따르며, 톰슨 산란과 마찬가지로 산란된 빛은 편광된다. 때문에 편광필터를 통해 하늘을 바라보면서 편광필터를 회전시키면 편광필터의 각도에 따라 하늘의 푸른색이 더 또렷해지거나 또는 약해지는 현상을 관찰할 수 있다.
레일리 산란 이론에 따르면 빛이 산란되는 크기/세기/강도는 빛의 파장의 4제곱에 반비례한다. 광선이 균일하게 산란하지 않고 파장이 짧을수록 산란이 더 강하게 일어난다는 뜻이다. 파란 빛은 강한 산란을 하는 반면, 붉은 빛은 산란하지 않고 직진하는 경향이 더 강하게 된다. 그러므로 대기중에선 눈에 들어오는 빛의 대부분이 사방에서 산란된 파란빛이라 하늘이 파란 색을 띄게 되는 것. 해가 뜨거나 지는 상황에서는 입사각이 작아져서 빛이 대기층을 길게 지나온다. 그 과정에서 파란색은 산란되어버리고 관측자에게 빨간 파장이 도달하여 붉게 보이게 된다. #
개기월식 때 지구 그림자에 들어간 달이 붉은색으로 보이는 현상도 태양광이 지구 대기를 통과하면서 파란색이 레일리 산란에 의해 먼저 산란되고 붉은 빛이 주로 달까지 도달해 달 표면에서 반사된 결과이다.
톰슨 산란보다는 산란 단면적이 작기 때문에, 원자나 분자로 이루어진 중성 기체는 전리된 플라즈마보다 복사에 대해 투명하여 빛이 더 잘 통과한다.
4. 미 산란
Mie scattering전자기파 파장 정도의 크기를 갖는 구형 입자에 의한 산란에 대한 해석해에 따른 산란 모형으로, 입자의 크기가 전자기파 파장과 비슷하거나 클 때 일어나는 현상이다. 레일리 산란과 달리 광선의 성분전체가 함께 산란을 일으켜, 파장이 나뉘며 색이 바뀌는 현상은 발생하지 않는다. 무색의 태양광선을 그대로 산란하므로 하늘과 달리 구름,안개는 하얗게 보이는 것이다.