【光学】光の散乱

私たちの身の回りでは、光がさまざまな方向に拡散する現象をよく目にします。例えば、青い空や赤い夕焼け、霧の中での光の広がりなどです。これらの現象の背後には、光の散乱（scattering）という物理現象があります。

この記事では、光の散乱の基本的な仕組みや原理、応用例を初心者向けに詳しく解説します。

概要

光の散乱とは、光が物質中の粒子や不均一な媒質に当たることで、入射方向から外れた方向に光が広がる現象を指します。

光は真空中では直進しますが、空気中の微粒子や水滴などにぶつかると、さまざまな方向に散らばります。この現象によって、私たちは次のような自然現象を観察できます。

• 青い空と赤い夕焼け
• 霧や煙の中での光の拡散
• 光ファイバー内の光の拡散

散乱の種類は、粒子の大きさや光の波長によって異なります。

詳細な説明および原理

光の散乱には大きく分けて以下の種類があります。

1. レイリー散乱

• 粒子のサイズが光の波長よりも十分小さい場合に起こる散乱
• 散乱の強さ (I) は波長 (λ) に依存し、次のように表されます。

$$ I \propto \frac{1}{\lambda^4} $$

• 波長が短い青色光ほど強く散乱されるため、空が青く見えるのです。

2. ミー散乱

• 粒子のサイズが光の波長と同程度の場合に起こる散乱
• 雲や霧などの水滴による散乱が代表例です。
• ミー散乱では、散乱の強さは波長依存が弱く、光は白っぽく見えます。

3. ラマン散乱（特殊散乱）

• 光が分子振動と相互作用して波長が変化する散乱
• 光学分光や材料分析に利用されます。

散乱の数式（基本例）

散乱強度 (I) は粒子の半径 (a) や入射光の波長 (λ) によって次のように表されることがあります（レイリー散乱の場合）。

$$ I \propto \frac{a^6}{\lambda^4} \left(1 + \cos^2 \theta\right) $$

• θは散乱角（光がどの方向に散るか）
• この式から、粒子が大きいほど散乱が強くなることがわかります。

応用例（具体例）

光の散乱は、自然現象の理解だけでなく、科学技術でも多くの応用があります。

1. 大気科学

• 空の青さや夕焼けの赤さの説明
• 大気中の微粒子（エアロゾル）濃度の測定

2. 医療・生物分野

• 血液や細胞の光散乱を測定して分析
• 光学顕微鏡やレーザーによる細胞観察

3. 光学機器

• 光ファイバー内の散乱を利用したセンサー
• レーザー距離計やLIDARによる距離測定

4. 環境計測

• 水質や大気汚染の粒子量を測定
• 粒子径や濃度を非接触で分析可能

まとめ

光の散乱は、光が物質の粒子や媒質にぶつかることで入射方向とは異なる方向に広がる現象です。

• レイリー散乱：小さな粒子で波長依存性が強く、空が青く見える原因
• ミー散乱：粒子サイズが波長と同程度で、雲や霧を白く見せる
• ラマン散乱：分子振動との相互作用で波長が変化する特殊散乱

自然現象の理解や、光学・医療・環境計測など幅広い分野で重要な役割を果たしています。
光の散乱の仕組みを知ることで、日常の光の見え方や技術利用の理解がぐっと深まります。