瑞利散射

瑞利散射（英语：Rayleigh scattering），由英国物理学家第三代瑞利男爵约翰·斯特拉特（John Strutt, 3rd Baron Rayleigh）的名字命名。它是半径比光或其他电磁辐射的波长小很多的微小颗粒（例如单个原子或分子）对入射光束的散射。瑞利散射在光通过透明的固体和液体时都会发生，但以气体最为显著。在大气中，太阳光的瑞利散射会导致弥漫天空辐射，这也是天空为蓝色和太阳偏黄色的原因。

瑞利散射导致白天的天空的蓝色色调和太阳在日落发红。

瑞利散射在日落之后更加明显。这张照片是在日落后，大约一小时在500米海拔高度拍摄，方向对着在地平线上的太阳。

激光器的光束是可见的，部分原因是因为存在于空气中的各种颗粒和分子的瑞利散射。

瑞利散射光的强度和入射光波长λ的四次方成反比：

$I(\lambda )_{scattering}\propto {\frac {I(\lambda )_{incident}}{\lambda ^{4}}}$

其中$\scriptstyle I(\lambda )_{incident}$是入射光的光强分布函数。

因此，波长较短的蓝光比波长较长的红光更易产生瑞利散射。

应用

该图显示在大气中，相对于红光，蓝光的散射光比例比较大。

瑞利散射适用于尺寸远小于光波长的微小颗粒，和光学的“软”颗粒（即其折射率接近1）。当颗粒尺度相似或大于散射光的波长时，通常是由米氏散射理论、离散偶极子近似和其它计算技术来处理。

瑞利散射可以解释为什么白天的天空多为蓝色。白天，尤其太阳在头顶时，当太阳光经过大气层时，与半径远小于可见光的波长的空气分子发生瑞利散射，因为蓝光比红光波长短，瑞利散射较激烈，被散射的蓝光布满了整个天空，从而使天空呈现蓝色。而紫光虽然波长较蓝光更短，散射较激烈，能量也较高，但因人眼对不同颜色的敏感度不同，以黄绿色敏感度最高，往两边呈钟形分布，换言之，人眼对蓝色的敏感度远大于紫色，所以天空看起来仍是蓝色。而人所见的太阳光因为多为直射光而非散射光，所以颜色基本上未改变，仍呈现白色——波长较长的红黄色光与波长较短的蓝绿色光（少量被散射了）的混合。

瑞利散射也可以解释为什么当日出或日落时，云朵多为红橙色。当日出或日落时，太阳几乎在我们视线的正前方，此时太阳光在大气中要走相对较长的路程，所看到的直射光中的蓝光大量都被散射了，只剩下红橙色的光，因此太阳附近呈现红色，云朵也因反射太阳光而呈现红橙色，而天空则呈现较为昏暗的蓝黑色。

事实上，月球的天空即使在白天也是黑的，便是因为其并无大气层，缺乏瑞利散射所致。

推导

大气中的分子在入射光电矢量作用下会极化，从而产生偶极辐射，辐射能流密度的平均值为

$$\langle \mathbf {S} \rangle ={\bigg (}{\frac {\mu _{0}p_{0}^{2}\omega ^{4}}{32\pi ^{2}c}}{\bigg )}{\frac {\sin ^{2}\theta }{r^{2}}}\mathbf {\hat {r}}$$。

瑞利非偏振散射光强度

$I_{0}$表示入射光强度，$\theta$为入射光与散射光的夹角.

$$I=I_{0}{\frac {8\pi ^{4}\alpha ^{2}}{\lambda ^{4}R^{2}}}(1+\cos ^{2}\theta ).$$

参见

• 瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）
• 拉曼散射（Raman scattering），又称拉曼效应（Raman effect）
• 光学现象
• 动态光散射
• 米氏散射
• 廷得耳效应（Tyndall effect）
• 瑞利判据，又称瑞利判据（Rayleigh criterion）

参考书籍

• C.F. Bohren, D. Huffman, Absorption and scattering of light by small particles, John Wiley, New York 1983. Contains a good description of the asymptotic behavior of Mie theory for small size parameter (Rayleigh approximation).
• Ditchburn, R.W. Light 2nd. London: Blackie & Sons. 1963: 582–585. ISBN 978-0-12-218101-6.  含有内容需登入查看的页面 (link)
• Chakraborti, Sayan. Verification of the Rayleigh scattering cross section. American Journal of Physics. 2007-09, 75 (9) [2022-11-20]. Bibcode:2007AmJPh..75..824C. ISSN 0002-9505. arXiv:physics/0702101 . doi:10.1119/1.2752825. （原始内容存档于2022-11-20） （英语）. 
• Ahrens, C. Donald. Meteorology Today: an introduction to weather, climate, and the environment 5th. St. Paul MN: West Publishing Company. 1994: 88–89. ISBN 978-0-314-02779-5. 
• Lilienfeld, Pedro. A Blue Sky History. Optics and Photonics News. 2004-06-03, 15 (6). ISSN 1047-6938. doi:10.1364/OPN.15.6.000032 （英语）.