산란

다른 뜻에 대한 내용은 산란(동음이의어) 문서 참고하십시오.

1. 개요[편집]

---

散亂 / scattering

파동이나 입자선이 물체와 충돌하여 여러 방향으로 흩어지는 현상. 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.

2. 레일리 산란[편집]

---

Rayleigh scattering

전자기파의 파장보다 입자의 크기가 작을 때 일어나는 현상이다. 하늘이 푸른 색으로 보이는 것과 노을이 일어나는 이유이다.
파장이 미립자를 통과하면서 전방위로 균등하게 확산한다.
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 달이 잠깐 사라졌다가 붉게 변한 채로 다시 보이는 이유도 레일리 산란의 결과이다.

3. 미 산란[편집]

---

Mie scattering

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.

4. 콤프턴 산란[편집]

---

콤프턴 산란(Compton scattering)은 높은 에너지의 광자가 전자와 상호작용하여 에너지를 잃는 비탄성 산란 과정이다.

이때 광자의 파장은 [math(\lambda )]라 하고 산란 된 광자의 파장은 [math( \lambda ' )]이라 하자. 광자와 전자의 상호작용을 2차원 충돌과정으로 근사할 수 있으므로 에너지 보존과 운동량 보존을 통해 이를 분석할 수 있다. 우선 초기 광자의 에너지는 [math( E=hf)]이고 충돌 후 전자의 운동에너지는
[math( K=mc^{2}\left( \gamma -1\right) )]
이므로 에너지 보존으로부터
[math( \dfrac {hc}{\lambda }=\dfrac {hc}{\lambda '}+mc^{2}\left( \gamma -1\right))]
또한 광자가 2차원 평면 상에서 x축과 평행하게 입사했다고 본다면 산란광이 x축과 이루는 산란각을 [math( \phi )], 산란된 전자가 x축과 이루는 각을 [math( \theta)], 산란된 전자의 속력을 v라 하면 운동량 보존으로부터
[math( \dfrac {h}{\lambda }=\dfrac {h}{\lambda '}\cos \varphi +\gamma mv \cos\theta)](x축 운동량보존)
[math(0=h-\lambda '\sin \varphi -\gamma mv\sin \theta )](y축 운동량보존)
에너지보존식과 두 운동량 보존식으로부터 v와 [math( \theta )]를 제거하면
[math( \lambda '-\lambda =\Delta \lambda =\dfrac {h}{mc}\left( 1-\cos \varphi \right) )]의 콤프턴 파장 이동(Compton wavelength shift) 식을 얻게된다.

이 식을 통해 충돌하는 전자(혹은 다른 입자)의 질량이 작을수록, 광자의 산란각이 180°에 가까울수록 파장이동(에너지손실)이 커지는 것을 알 수 있다.
또한 이 실험은 고전 물리학적으로 설명이 되지 않는다. (고전 파동 이론에 의하면 입사한 빛의 파장과 산란된 빛의 파장은 같기 때문) 그런데 콤프턴 산란의 결과를 보면 파장의 변화가 일어난다. 이는 빛이 입자성을 가질 수도 있다는 또다른 증거로 쓰였다.

4.1. 역 콤프턴 산란[편집]

---

역 콤프턴 산란(Inverse Compton scattering)은 콤프턴 산란의 역과정으로 고온의 전자 구름을 저에너지 광자(예: 전파)가 통과할 때 발생한다. 이때 전자의 에너지가 광자에 전달되어 광자의 파장이 짧아지게 된다.