Rayleigh-szórás
A Rayleigh-szórás egy olyan fizikai jelenség, ami akkor lép fel, ha a fény a hullámhosszánál sokkal kisebb méretű részecskéken szóródik. A róla elnevezett jelenség magyarázatát Lord Rayleigh adta meg.

A jelenség lényege
A klasszikus elektrodinamikai magyarázat szerint az átlátszó közegen áthaladó fény időben oszcilláló elektromos tere az atomok illetve molekulák, mint szóró centrumok töltéseire hatva polarizálja azokat, és ezek a kicsiny dipólusok elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. A fény és a részecskék kölcsönhatása egy rugalmas szórás, így egy ugyanolyan frekvenciájú sugárzást figyelünk meg, aminek a tulajdonságait a hullámhossz és a részecskék méretének egymáshoz való viszonya határozza meg.

A hullámhossznál sokkal nagyobb méretű részecskéken való szórás a geometrikus szórás, az összemérhető méretűn pedig a Mie-szórás. 

A Rayleigh-szórás esetén a centrumok mérete jóval kisebb – legfeljebb tizede – a fény hullámhosszánál. A teljesen véletlenszerűen elhelyezkedő elemi dipólusok által kisugárzott elektromágneses hullámok fázisa véletlenszerűen különbözik egymástól, az eredményül kapott sugárzás inkoherens. A szórt fény intenzitása erősen függ a megfigyelés szögétől és a hullámhossztól. A szórt fény I intenzitása a következő összefüggéssel írható fel, ha a beeső λ hullámhosszú, I0 intenzitású fény nem polarizált, és a gömb alakúnak feltételezett, d átmérőjű részecskékből álló, átlátszó n törésmutatójú közegen a beeső irányhoz képest  szögben szóródik, és a szóró részecskétől való távolság R:

A Rayleigh-szórás hatáskeresztmetszetét a következő szerint lehet kifejezni:

Mivel a Rayleigh-szórásban a fény elektromos terének hatására indukált dipólmomentum játszik szerepet, az elektromosan izotrop közegben lejátszódó szórás esetén a szórt fény intenzitására vonatkozó összefüggést a molekulák α polarizálhatóságával is felírhatjuk: 

A szórt fény intenzitása tehát a hullámhossz negyedik hatványával fordítottan arányos. Ez az erős hullámhosszfüggés azt jelenti, hogy a rövidebb hullámhosszú fény sokkal jobban szóródik, mint a vörös. A megfigyelés szögétől függő szórt fényintenzitás – az összefüggésben szereplő koszinuszos tagból látszódóan – a beeső fényre merőleges irányban, azaz 90°-os szögben a legkisebb, fele akkora, mint a beesés irányában.

A kék ég és a lemenő nap vöröses fénye
Ilyen fényszórás történik a levegőben lévő molekulákon, tehát a napfény spektrumából a légkör molekuláin a kék színű komponensek szóródnak a leghatékonyabban, azaz a szórt sugárzásban a rövidebb hullámhosszú komponensek intenzívebbek. Ugyanolyan intenzitású beeső fény esetén például a 400 nm-es hullámhosszú komponens 9,4-szer intenzívebb, mint a 700 nm-es. Az ég kék színe tehát a Rayleigh-szórással magyarázható.

A horizont közelében lévő Nap esetén a megfigyelő szeméig éppen a kék komponensek nagyobb mértékű kiszóródása miatt leginkább a vörös komponensek jutnak el, ezért a lemenő napot vörösesnek látjuk. Ugyanilyen okból használunk a figyelem felkeltésére piros színű lámpákat az autókon, és egyéb járműveken is, hiszen a piros fény kevésbé szóródik szét.

A szórt sugárzás mint zavaró háttér 
A fényszórásból származó háttér gyakran zavaró. A lumineszcencia méréseknél a gerjesztő fény hatására a mintából a várt lumineszcencia jelen kívül – a gerjesztéssel megegyező hullámhosszon – a sokkal nagyobb intenzitású szórás is megjelenik. A fluoriméterekben ennek csökkentésére, a megfelelő hullámhosszválasztáson kívül – a szórás irányfüggését kihasználva – sok esetben úgynevezett oldalirányú megfigyelést alkalmaznak. Amikor is a detektor ág a gerjesztő fényre merőleges irányban helyezkedik el, így a lehető legkisebb a Rayleigh-szórásból származó háttér.

A szórás szerepe a kontrasztban
Meg kell jegyezni, hogy a Rayleigh által a látható fény kapcsán felfedezett szórási jelenség nem csak az emberi szem számára látható sugárzásoknál lép fel, így a Rayleigh-szórással a sokkal rövidebb és sokkal hosszabb hullámhosszú elektromágneses sugárzásokat felhasználó képalkotásban is számolni kell. A képalkotó eljárásoknál két fontos paraméter határozza meg a kép minőségét: a felbontás és a kontraszt. Az előbbit az elhajlás korlátozza, ezért a felbontás növelése érdekében érdemes minél rövidebb hullámhosszú sugárzást alkalmazni. Ekkor azonban erősen nő – hullámhossz negyedik hatványával fordított arányban – a szórásból származó háttér intenzitása, ami a megfigyelhetőséget meghatározó kontrasztot csökkentő tényező. A kontraszt növelése szempontjából tehát a hosszabb hullámhosszú sugárzásokat alkalmazó képalkotó eljárások az előnyösek. A rövidebb hullámhosszú röntgensugárzás felhasználásával jobb felbontás, de a hosszabb hullámhosszú terahertzes sugárzással illetve a rádióhullámokkal megvalósított MRI-vel jobb kontraszt érhető el.

Jegyzetek 

Optika
A Rayleigh-szórás egy olyan fizikai jelenség , ami akkor lép fel , ha a fény a hullámhosszánál sokkal kisebb méretű részecskéken szóródik . A róla elnevezett jelenség magyarázatát Lord Rayleigh adta meg . A jelenség lényege A klasszikus elektrodinamikai magyarázat szerint az átlátszó közegen áthaladó fény időben oszcilláló elektromos tere az atomok illetve molekulák , mint szóró centrumok töltéseire hatva polarizálja azokat , és ezek a kicsiny dipólusok elektromágneses sugárzást bocsátanak ki . A fény és a részecskék kölcsönhatása egy rugalmas szórás , így egy ugyanolyan frekvenciájú sugárzást figyelünk meg , aminek a tulajdonságait a hullámhossz és a részecskék méretének egymáshoz való viszonya határozza meg . A hullámhossznál sokkal nagyobb méretű részecskéken való szórás a geometrikus szórás , az összemérhető méretűn pedig a Mie-szórás . A Rayleigh-szórás esetén a centrumok mérete jóval kisebb – legfeljebb tizede – a fény hullámhosszánál . A teljesen véletlenszerűen elhelyezkedő elemi dipólusok által kisugárzott elektromágneses hullámok fázisa véletlenszerűen különbözik egymástól , az eredményül kapott sugárzás inkoherens . A szórt fény intenzitása erősen függ a megfigyelés szögétől és a hullámhossztól . A szórt fény I intenzitása a következő összefüggéssel írható fel , ha a beeső λ hullámhosszú , I0 intenzitású fény nem polarizált , és a gömb alakúnak feltételezett , d átmérőjű részecskékből álló , átlátszó n törésmutatójú közegen a beeső irányhoz képest szögben szóródik , és a szóró részecskétől való távolság R: A Rayleigh-szórás hatáskeresztmetszetét a következő szerint lehet kifejezni : Mivel a Rayleigh-szórásban a fény elektromos terének hatására indukált dipólmomentum játszik szerepet , az elektromosan izotrop közegben lejátszódó szórás esetén a szórt fény intenzitására vonatkozó összefüggést a molekulák α polarizálhatóságával is felírhatjuk : A szórt fény intenzitása tehát a hullámhossz negyedik hatványával fordítottan arányos . Ez az erős hullámhosszfüggés azt jelenti , hogy a rövidebb hullámhosszú fény sokkal jobban szóródik , mint a vörös . A megfigyelés szögétől függő szórt fényintenzitás – az összefüggésben szereplő koszinuszos tagból látszódóan – a beeső fényre merőleges irányban , azaz-os szögben a legkisebb , fele akkora , mint a beesés irányában . A kék ég és a lemenő nap vöröses fénye Ilyen fényszórás történik a levegőben lévő molekulákon , tehát a napfény spektrumából a légkör molekuláin a kék színű komponensek szóródnak a leghatékonyabban , azaz a szórt sugárzásban a rövidebb hullámhosszú komponensek intenzívebbek . Ugyanolyan intenzitású beeső fény esetén például anm-es hullámhosszú komponens4-szer intenzívebb , mint anm-es . Az ég kék színe tehát a Rayleigh-szórással magyarázható . A horizont közelében lévő Nap esetén a megfigyelő szeméig éppen a kék komponensek nagyobb mértékű kiszóródása miatt leginkább a vörös komponensek jutnak el , ezért a lemenő napot vörösesnek látjuk . Ugyanilyen okból használunk a figyelem felkeltésére piros színű lámpákat az autókon , és egyéb járműveken is , hiszen a piros fény kevésbé szóródik szét . A szórt sugárzás mint zavaró háttér A fényszórásból származó háttér gyakran zavaró . A lumineszcencia méréseknél a gerjesztő fény hatására a mintából a várt lumineszcencia jelen kívül – a gerjesztéssel megegyező hullámhosszon – a sokkal nagyobb intenzitású szórás is megjelenik . A fluoriméterekben ennek csökkentésére , a megfelelő hullámhosszválasztáson kívül – a szórás irányfüggését kihasználva – sok esetben úgynevezett oldalirányú megfigyelést alkalmaznak . Amikor is a detektor ág a gerjesztő fényre merőleges irányban helyezkedik el , így a lehető legkisebb a Rayleigh-szórásból származó háttér . A szórás szerepe a kontrasztban Meg kell jegyezni , hogy a Rayleigh által a látható fény kapcsán felfedezett szórási jelenség nem csak az emberi szem számára látható sugárzásoknál lép fel , így a Rayleigh-szórással a sokkal rövidebb és sokkal hosszabb hullámhosszú elektromágneses sugárzásokat felhasználó képalkotásban is számolni kell . A képalkotó eljárásoknál két fontos paraméter határozza meg a kép minőségét : a felbontás és a kontraszt . Az előbbit az elhajlás korlátozza , ezért a felbontás növelése érdekében érdemes minél rövidebb hullámhosszú sugárzást alkalmazni . Ekkor azonban erősen nő – hullámhossz negyedik hatványával fordított arányban – a szórásból származó háttér intenzitása , ami a megfigyelhetőséget meghatározó kontrasztot csökkentő tényező . A kontraszt növelése szempontjából tehát a hosszabb hullámhosszú sugárzásokat alkalmazó képalkotó eljárások az előnyösek . A rövidebb hullámhosszú röntgensugárzás felhasználásával jobb felbontás , de a hosszabb hullámhosszú terahertzes sugárzással illetve a rádióhullámokkal megvalósított MRI-vel jobb kontraszt érhető el . Jegyzetek Optika