การกระเจิงแบบเรย์ลี

การกระเจิงแบบเรย์ลี (Rayleigh scattering) คือการกระเจิงของแสงโดยอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสง โดยทั่วไปจะใช้หมายถึงการกระเจิงที่เกิดขึ้นภายในตัวกลางที่เป็นก๊าซ เช่น บรรยากาศโลก โดยเป็นสาเหตุที่ทำให้ท้องฟ้าดูเป็นสีฟ้าในเวลากลางวัน นอกจากนี้แล้วยังอาจเกิดขึ้นในของเหลวและของแข็งที่โปร่งใสได้ด้วย  การกระเจิงแบบเรย์ลีได้รับการตั้งชื่อตาม บารอนเรย์ลี (จอห์น วิลเลียม สตรัต) ผู้พยายามอธิบายปรากฏการณ์นี้

ทฤษฎี 
ให้พารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องซึ่งได้แก่ความยาวคลื่นของคลื่นที่กระเจิงเป็น λ และเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคที่กระเจิงเป็น d แล้วพารามิเตอร์ขนาด α ที่มีค่าคงที่วงกลม π เป็นสัมประสิทธิ์ จะเป็น

 

เมื่อ  จะสามารถแสดงได้โดยการกระเจิงแบบเรย์ลี เมื่อ  จะใช้การกระเจิงแบบมี และเมื่อ  จะใช้การประมาณทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต

การประมาณอนุภาคเล็ก 
การกระเจิงแบบเรย์ลีเกิดขึ้นเมื่อสนามไฟฟ้า ภายในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของแสงที่ตกกระทบกระทำกับสนามไฟฟ้าของอนุภาค บังคับให้อิเล็กตรอนในอนุภาคเกิดการแกว่งกวัด และกระตุ้นไดโพล ดังนั้น หากอนุภาคเป็นตัวแกว่งกวัดไดโพลที่มีความถี่  แล้วความถี่  นั้นมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับความถี่ ν ของแสงที่ตกกระทบ (นั่นคือ ) แล้ว ความเข้มของการกระเจิง I ได้เป็น

 

โดยที่  คือความเข้มของแสงที่ตกกระทบ N, m, e คือจำนวน มวล และ ประจุไฟฟ้า ของอนุภาค และ c คืออัตราเร็วแสง

นอกจากนี้ในสูตรข้างต้น  ν4/c4 = λ−4 ดังนั้นในกรณีที่อนุภาคถือว่าเล็กพอเมื่อเทียบกับความยาวคลื่น ความแรงในการกระเจิงจะแปรผกผันกับกำลัง 4 ของความยาวคลื่นจะเป็นไปตามสมการนี้

 

โดยที่ R คือระยะทางไปยังอนุภาค θ คือมุมการกระเจิง และ n คือ ดัชนีหักเหของแสง

ให้ปริมาตรของอนุภาคเป็น V ยังอาจเขียนได้ดังนี้

  

นอกจากนี้ เมื่อหาปริพันธ์ของความแรงในการกระเจิงต่อมุมตันทั้งหมด ภาคตัดขวาง  จะได้เป็น 

 

สมการนี้อธิบายว่าแสงสีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่นสั้นจะกระเจิงมากกว่าแสงสีแดงที่มีความยาวคลื่นยาวกว่า เกิดขึ้นเนื่องจากในเวลาพระอาทิตย์ตก และพระอาทิตย์ขึ้น ระยะห่างระหว่างดวงอาทิตย์กับผู้สังเกตการณ์จะยาวกว่าเวลาเที่ยง ทำให้แสงสีน้ำเงินจะกระเจิงออกไปจนหมดก่อนที่จะมาถึงผู้สังเกตการณ์ ในทางกลับกัน ในช่วงกลางวัน แสงสีน้ำเงินซึ่งมีความยาวคลื่นสั้นจะกระเจิงไปยังผู้สังเกตการณ์ ดังนั้นท้องฟ้าโดยรวมจึงปรากฏเป็นสีฟ้า

นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการวัดทางทัศนศาสตร์ โดยความเข้มของสัญญาณจะแปรผันตรงกับความหนาแน่นของจำนวนโมเลกุลและสูงกว่าการวัดทางสเปกโทรสโกปี

อ้างอิง 

การกระเจิง
อุตุนิยมวิทยา
ทัศนศาสตร์