真空中を伝搬する光は散乱を受けない。1.7 x 105光年離れた星の爆発を観察したとすると、その閃光は170,000年に渡る旅を経て地球に到達したのである。光子は永遠のものである。

真空中に僅かの空気(窒素分子や酸素分子・等)がある場合を考える。いずれの分子も可視光に対しては共振しないため、光を吸収して励起状態になることはない。光子によって基底状態電子は振動状態となり、直後に同一周波数の光子を放出する。即ち、入射光子は弾性散乱される。分子の配向はランダムであり、従って、散乱光子はあらゆる方向に放出される。光が弱くとも光子数は膨大である。全方位に放出される光子は、古典的には球面波とみなせる(図1)。

Hecht Figure4.2

 

図1 入射平面波の単一原子による散乱

左から入射した平面波が1個の原子を横切り、球面散乱波が発生する。1秒間に何億もの光子があらゆる方向に流れ出る。

分子の電子共振は紫外域にあるため、(可視光では)光の周波数が大きくなるにしたがって散乱は強くなる。ロード=レーリーは太陽光散乱を分子振動子の観点から解析し、散乱強度が1/λ4(従ってν4)に比例することを導きだした。以来、波長に比較して小さい(およそλ /15以下)粒子による散乱をレーリー散乱とよぶ。原子や普通の分子の寸法は十分の数nmであり、可視光波長は500nm近辺であるため前記条件に合致する。

大気圏低域のような高密度・一様媒質は横方向にあまり散乱しない。そうでなければ遠方の山は赤っぽく見える。大気圏中域は十分高密度であるにもかかわらずレーリー散乱がある。これは、大気の密度揺らぎに起因する。一方向から大気圏に到来する太陽光は、全方位に散乱される。この散乱がなければ、昼でも空は真っ暗闇である。太陽が水平線近くにあるとき、太陽光は大気圏を長距離通過する。青色光が強く散乱され減衰した結果、おなじみの赤い夕陽となる。

参考文献

E. Hecht 著、尾崎義治・朝倉利光 訳「ヘクト 光学 I 」第9版 丸善(2013)