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Scattering Rayleigh
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Lo scattering Rayleigh (che prende il nome da Lord Rayleigh) è lo scattering (o diffusione) di un'onda luminosa provocato da particelle più piccole della lunghezza d'onda dell'onda stessa. Questo avviene quando la luce attraversa un mezzo trasparente sia solido che liquido anche se generalmente questo fenomeno si osserva nei gas. Lo scattering Rayleigh della luce solare da particelle sospese in atmosfera è una delle ragioni per le quali noi vediamo il cielo di colore azzurro.
La quantità di luce che viene diffusa dallo scattering Rayleigh dipende sia dalle dimensioni della particella che dalla lunghezza d'onda della luce, in particolare il coefficiente di scattering e pertanto l'intensità della luce diffusa, varie inversamente con la potenza quarta della lunghezza d'onda, da una relazione chiamata legge di Rayleigh. Lo scattering da particelle delle dimensioni di circa un decimo del lunghezza d'onda viene trattato dalla teoria di Mie.
Quando un raggio luminoso di lunghezza d'onda λ e intensità I0 colpisce una singola, piccola particella, l'intensità della luce da essa diffusa (I) è data dalla legge:
dove R è la distanza della particella, θ l'angolo di diffusione, n l'indice di rifrazione della particella e d è il diametro della particella.
La distribuzione angolare dello scattering di Rayleigh risulta quindi governata dal termine (1+cos2 θ), che è un coefficiente simmetrico alla normale al piano nella direzione incidente della luce; pertanto la luce diffusa in avanti risulta essere pari alla luce diffusa indietro. Integrando su una sfera che circonda la particella si può tenere la sezione d'urto dello scattering di Rayleigh, σs:
Il coefficiente dello scattering di Rayleigh per un gruppo di particelle distribuite casualmente, incoerenti tra loro, è il numero di particelle per unità di volume N moltiplicato per la sezione d'urto.
La forte dipendenza della diffusione dall'inverso della lunghezza d'onda (1/λ4), implica che la luce blu viene diffusa molto di più della luce rossa. In atmosfera quindi i fotoni blu vengono diffusi quando l'onda attraversa il cielo ed è questa la ragione per cui si può vedere la luce blu arrivare da tutte le regioni del cielo mentre gli altri fotoni derivano più direttamente dal sole. È inoltre importante notare che, nonostante si usi il termine fotone, la teoria dello scattering Rayleigh è stata sviluppata senza fare alcun ricorso alla meccanica quantistica e non utilizza alcun elemento fondamentale della fisica moderna.
Per lo stesso motivo la diffusione di Rayleigh è responsabile del colore rosso che assumono gli oggetti, le nuvole, etc. al tramonto o all'alba. In queste condizioni infatti i raggi solari attraversano uno spessore grandissimo di atmosfera terrestre e dunque incontrano un elevato numero di centri diffusori, cosicché non solo i fotoni blu, ma anche quelli gialli sono diffusi. Il risultato è che la luce solare è privata di tutte le componenti dello spettro eccetto il rosso. Il cielo tuttavia rimane blu a causa del gran numero di fotoni blu sempre diffusi nell'alta atmosfera.
A questo punto risulta naturale chiedersi il motivo per cui il cielo risulta essere blu anziché viola poiché, in accordo con la legge di Rayleigh e della dipendenza inversa con la quarta potenza della lunghezza d'onda, sarebbe naturale aspettarsi un cielo di questo colore. Ciò è dovuto principalmente al fatto che l'occhio umano risulta essere più sensibile alla lunghezza d'onda corrispondente alla luce blu anziché a quella viola avendo dei fotorecettori che possiedono un picco di sensibilità maggiore per questo colore. Inoltre la luce che proviene dal sole è centrata sulle frequenze blu dello spettro.
