Mie saçılması

Mie saçılması veya Mie teorisi, düzlem bir elektromanyetik dalganın (ışık) homojen bir küre tarafından saçılmasını ifade eder. Maxwell denklemlerinin LorenzMieDebye çözümü olarak da bilinmektedir. Denklemlerin çözümü sonsuz bir vektör küresel harmonik serisi şeklinde yazılır. Saçılma ismini fizikçi Gustav Mie'den almaktadır; analitik çözümü ilk kez 1908 yılında yayınlanmıştır.
"Mie saçılması" terimi aynı zamanda ışığın dalga boyunun kürenin yarıçapı ile yaklaşık eşit olduğu saçılma durumları için de kullanılmaktadır; bu saçılma özellikle atmosferde görülür. Genel Mie saçılmasının teknik olarak bir boyut limiti yoktur: saçılma sonuçları kürenin dalga boyundan küçük olduğunu durumlarda Rayleigh saçılmasına, büyük olduğu özel durumlarda ise geometrik optiğe yakınsar. Mie saçılması ve tesir kesitinin hesaplanması için birçok kod bulunmaktadır; Mie teorisinin konsentrik küreler, sonsuz silindir ve küre kümelerine uygulandığı kodlar da mevcuttur.
Teori
Mie saçılmasında çarpan ve saçılan elektrik alanlar vektör küresel harmonikleri olarak yazılır. Helmholtz denkleminin küresel koordinat sisteminde değişkenlerin ayrımı ile çözülmesi ile elde edilir. Kürenin yüzeyinde elektromanyetik sınır koşulları sağlanarak saçılan dalga farklı katsayılarda çok kutuplu harmonikler cinsinden gösterilir. Işık saçılma oranı genellikle optik tesir kesiti ile ifade edilir ve bu katsayı Mie saçılması ile elde edilebilir. Teori kullanarak Mie rezonansları ve saçılma katsayıları da bulunabilmektedir.
Işığın dalga boyunun kürenin yarıçapına oranına ve malzeme özelliklerine göre farklı yaklaşım ve tanımlamalarda bulunulabilir. Rayleigh saçılması dalga boyundan çok daha küçük parçacıklardaki ışık saçılmasını belirtir. Bu dalga boyları için yarı-statik yaklaşım kullanılarak Laplace denklemi de çözülebilir. RayleighGans yaklaşımı ve ayrıksı kırınım teorisi (van de Hulst yaklaşımı) parçacığın kırılma indisinin bulunduğu ortamınkine çok yakın olduğu durumlarda kullanılabilir. Yaklaşımlar her ne kadar birçok uygulamada iş görse de atmosferdeki su damlacıklarındaki, hücrelerdeki ve emülsiyonlardaki saçılmaların hesaplanması için tam teorinin kullanılması esastır.
Matematiksel temeller
Mie saçılmasının türetilmesi
Mie saçılmasının standart analitik çözümü genelde z-ekseninde hareket eden ve x-ekseninde polarize olmuş bir düzlem dalga için yapılır. Parçacığın yalıtkanlık sabiti ve manyetik geçirgenliği ve ile gösterilirken, parçacığın bulunduğu ortamdaki değerler ve ile gösterilir.
Saçılma probleminin çözümü için öncelikle vektör Helmholtz denklemi küresel koordinatlarda yazılır. Helmholtz denklemi, elektrik ve manyetik alanlar için şu şekilde gösterilir:
Helmholtz denklemi dışında, alanların, ve koşullarını sağlaması gerekir. Daha sonra ve küresel harmoniklerinin üreten fonksiyonu olarak kabul edebileceğimiz skalar fonksiyonu denkleme eklenir; vektör küresel harmonikler gerekli koşulları sağlamaktadır.
Küresel koordinatlarda açılan dalga denklemi şu şekilde ifade edilebilir:
Bu denklem değişkenlerin ayrımı yöntemi ile çözülür. Denklemin çözümüne göre üreten fonksiyonunu sağlayan vektör küresel harmonikler şu şekilde ifade edilir:
manyetik harmonikler (TE)
elektrik harmonikler (TM)
ve


Asosiye Legendre polinomlarını ve ise küresel Bessel fonksiyonlarını gösterir.
Daha sonrasında küreye çarpan düzlem dalga vektör küresel harmonikler cinsinden açılır:


Buradaki üst-imi fonksiyonun radyal kısmının küresel Bessel fonksiyonu olduğunu belirtir. Açılım katsayıları ise şu integraller ile elde edilir:
'ı sağlayan tüm katsayılar 0'dır.
Sonrasında şu koşullar çözümde göz önünde bulundurulur:
Kürenin yüzeyinde elektromanyetik sınır koşulları sağlanmalıdır.
Saçılma probleminin çözümü orijinde sınırlandırılmalıdır: bu nedenle kürenin içindeki alanların üreten fonksiyonu olarak küresel Bessel fonksiyonları seçilir.
Saçılan alan, orijinden sonsuza doğru hareket etmelidir; bunun için birinci tip Hankel fonksiyonları seçilir.
Saçılan alanlar, daha sonra vektör harmonik açılımla şu şekilde yazılır:


Bu denklemlerde üst-imi fonksiyonun radyal kısmının küresel Hankel fonksiyonu olduğunu belirtir.
Kürenin içindeki alanlar ise şu şekilde açılabilir:

ve küre dışındaki ve içindeki dalga vektörünü ifade eder. Kürenin dışı ve içindeki kırılma indisleri ve ile gösterilir.
Sınır koşulları denklemlere uygulandıktan sonra Mie katsayıları elde edilir:




Bu katsayılarda kürenin yarıçapına, ile fonksiyonları da sırasıyla birince tip küresel Bessel ve Hankel fonksiyonlarına tekabül eder.
Mie saçılması nümerik olarak hesaplanırken sonsuz seri toplamının bir yerden sonra kesilmesi gerekir. Bununla ilgili en yaygın kriterlerden biri Wiscombe'un kriteridir ve terimlerin doğruya yakın sonuçlar için yeterli olduğunu belirtir. Bu denklem de x, ile eştir.
Saçılma ve yok olma tesir kesitleri
Mie teorisinde ve saçılmada etkinlik katsayıları sıklıkla kullanılan parametrelerdendir. Bu katsayılar yok olma, saçılma ve soğurma için tanımlanabilir. Bu katsayılar ilgili tesir kesitlerinin ışığın saçıldığı kürenin kesit alanına oranıdır. Örnek olarak, bir Mie saçılmasında saçılma etkinlik katsayısı formülü ile hesaplanabilir; bu denklemde saçılma tesir kesiti ve a da parçacık yarıçapıdır.
Yok olma kesiti, Mie teorisinde şu şekilde tanımlanır:
and
Gene Mie teorisine göre, saçılma ve yok olma katsayıları sonsuz bir seri ile gösterilebilir:
Uygulamalar
Mie teorisi, atmosfer biliminde bulut ve tozlardaki ışık saçılmasının incelenmesi için sıkça kullanılmaktadır. Teorinin diğer kullanım alanları arasında biyomedikal sistemler ile radarlar bulunmaktadır. Mie saçılımı aynı zamanda bazı metamateryal ve plazmonik yapıların teorisinde yer edinmiştir.