산란

Scattering

산란이란 물리학에서 움직이는 입자 또는 이나 소리와 같은 방사선이 통과하는 매체의 국소적인 불균일성(입자와 방사선을 포함)에 의해 직선 궤도에서 벗어나도록 강요되는 광범위한 물리적 과정을 설명하기 위해 사용되는 용어입니다.기존 사용에서는 반사법칙에 의해 예측되는 각도에서 반사방사선의 편차를 포함한다.산란을 겪는 방사선의 반사를 흔히 확산 반사라고 하며, 산란되지 않은 반사를 스펙큘러(거울 같은) 반사라고 한다.원래, 이 용어는 빛의 산란으로 한정되었다. (적어도 17세기[1] 아이작 뉴턴까지 거슬러 올라갑니다).더 많은 "선"과 같은 현상이 발견됨에 따라, 산란 개념은 그들에게까지 확장되었고,[2] 그래서 윌리엄 허셜은 1800년에 "열선"의 산란을 언급할 수 있었다. 산란 연구의 선구자인 존 틴달은 1870년대에 [3]빛 산란과 음향 산란 사이의 연관성에 주목했다.19세기 말 무렵, 음극선(전자 [4]빔)과[5] X선의 산란이 관찰되고 논의되었다.아원자 입자의 발견(1911년 어니스트 러더포드 [6])과 20세기 양자 이론의 발달로 빛의 산란에서 사용되는 동일한 수학적 틀이 다른 많은 현상에 적용될 수 있다는 것이 인식되면서 그 용어의 의미는 더 넓어졌다.

따라서 산란이란 분자, 원자, 전자, 광자와 다른 입자 사이의 입자 충돌을 말한다.를 들면, 지구 상층 대기의 우주선 산란, 입자 가속기 내부의 입자 충돌, 형광등의 가스 원자에 의한 전자 산란, 원자로 [7]내부중성자 산란 등이다.

산란을 일으킬 수 있는 비균일성의 종류는 나열하기에는 너무 많지만, 작은 샘플에는 입자, 거품, 물방울, 유체의 밀도 변동, 다결정 고체의 결정체, 단결정 고체의 결함, 표면 거칠기, 유기체의 세포, 텍스트 등이 포함된다.옷의 섬유질거의 모든 유형의 전파나 움직이는 입자의 경로에 대한 그러한 특징의 영향은 산란 이론의 틀에서 설명될 수 있다.

산란 및 산란 이론이 중요한 분야로는 레이더 감지, 의료용 초음파, 반도체 웨이퍼 검사, 중합 프로세스 모니터링, 음향 타일링, 자유 공간 통신 및 컴퓨터 생성 [8]이미지가 있습니다.입자-입자 산란 이론은 입자 물리학, 원자, 분자, 광학 물리학, 핵 물리학, 천체 물리학 등의 분야에서 중요하다.입자 물리학에서 기본 입자의 양자 상호작용과 산란은 John Archibald Wheeler와 Werner Heisenberg[9]의해 도입되고 개발된 산란 행렬 또는 S-Matrix에 의해 설명된다.

산란은 산란단면(θ), 감쇠계수, 양방향산란분포함수(BSDF), S행렬, 평균자유경로 등 다양한 개념을 사용하여 정량화된다.

단일 및 다중 산란

황도대의 빛은 밤하늘에서 보이는 희미하고 확산된 빛이다.이 현상은 태양계 [10]평면 전체에 퍼진 행성간 먼지에 의한 햇빛산란에서 비롯되었다.

방사선이 하나의 국소적 산란 중심에만 산란되는 것을 단일 산란이라고 합니다.산란 중심이 함께 그룹화되는 것은 매우 일반적이다. 이러한 경우 방사선은 다중 [11]산란으로 알려진 여러 번 산란될 수 있다.단일 산란과 다중 산란의 효과 사이의 주요 차이점은 단일 산란은 보통 무작위 현상으로 취급될 수 있는 반면, 다중 산란은 많은 산란 이벤트의 결합된 결과가 평균화되는 경향이 있기 때문에 다소 반직관적으로 보다 결정론적 과정으로 모델링될 수 있다는 것이다.따라서 다중 산란은 확산 [12]이론으로 잘 모델링될 수 있습니다.

단일 산란 중심 위치는 일반적으로 방사선의 경로에 대해 잘 알려져 있지 않기 때문에 정확한 유입 궤도에 크게 의존하는 결과는 관찰자에게 무작위적으로 나타난다.이런 종류의 산란은 원자핵에서 발사되는 전자에 의해 예시될 수 있다.이 경우 전자의 경로에 대한 원자의 정확한 위치는 알 수 없고 측정할 수 없기 때문에 충돌 후 전자의 정확한 궤적을 예측할 수 없다.따라서 단일 산란은 종종 확률 분포로 설명됩니다.

다중 산란을 사용하면 상호작용의 무작위성은 다수의 산란 이벤트에 의해 평균화되는 경향이 있으므로 방사선의 최종 경로는 강도의 결정론적 분포로 보인다.는 짙은 안개를 통과하는 빛 빔으로 대표됩니다.다중 산란은 확산과 매우 유사하며 다중 산란과 확산이라는 용어는 많은 맥락에서 교환할 수 있다.복수의 산란을 생성하도록 설계된 광학 소자를 [13]디퓨저라고 합니다.간섭성 후방 산란, 즉 간섭성 방사선이 무작위 매체에 의해 증식될 때 발생하는 후방 산란의 강화는 일반적으로 약한 국부화에 기인한다.

단, 모든 단일 산란이 랜덤인 것은 아닙니다.예를 들어 결정론적 결과를 가진 현미경 입자를 산란하도록 잘 제어된 레이저 빔을 정확하게 배치할 수 있다.이러한 상황은 레이더 산란에서도 볼 수 있으며, 대상이 사람이나 항공기와 같은 거시적 물체인 경향이 있다.

마찬가지로 다중 산란은 특히 간섭성 방사선의 경우 다소 무작위적인 결과를 얻을 수 있다.간섭성 방사선의 산란 강도가 랜덤하게 변동하는 것을 스펙클이라고 합니다.또한 간섭성 파형의 여러 부분이 서로 다른 중심에서 산란되는 경우에도 스펙클이 발생합니다.일부 드문 상황에서 다중 산란은 무작위성이 완전히 평균화되지 않도록 소수의 상호작용만 포함할 수 있다.이러한 시스템은 정확하게 모델링하기 가장 어려운 시스템 중 하나로 간주됩니다.

산란의 설명과 단일 산란과 다중 산란의 구별은 파동-입자 이중성과 밀접하게 관련되어 있다.

이론.

산란 이론은 파도와 입자의 산란을 연구하고 이해하기 위한 틀이다.일반적으로 파도의 산란이란 예를 들어 빗방울에 의해 산란되어 무지개를 형성하는 파도와 같은 물질적인 물체의 충돌 및 산란에 대응한다.산란에는 테이블상의 당구공의 상호작용, 금핵의한 알파 입자러더포드 산란(또는 각도 변화), 원자 클러스터에 의한 전자와 X선의 브래그 산란(또는 회절), 얇은 호일을 통과할 때의 핵분열 단편의 비탄성 산란도 포함된다.보다 정확하게는 산란은 "먼 과거"에 자유롭게 전파되던 편미분 방정식의 해법이 어떻게 함께 모여 서로 또는 경계 조건과 상호작용을 하고 나서 "먼 미래"로 전파되는지에 대한 연구로 구성된다.

전자기학

가상 광자의 방출에 의해 두 전자 사이에 산란하는 파인만 다이어그램.

전자파[14]산란을 겪는 방사선의 가장 잘 알려져 있고 가장 일반적으로 발생하는 형태 중 하나이다.(특히 레이더에서) 빛과 전파의 산란이 특히 중요하다.전자파 산란의 몇 가지 다른 측면은 전통적인 이름을 가질 만큼 충분히 뚜렷하다.탄성광 산란(무제한 에너지 전달 포함)의 주요 형태는 레일리 산란미에 산란이다.비탄성 산란에는 브릴루인 산란, 라만 산란, 비탄성 X선 산란 및 콤프턴 산란포함된다.

빛의 산란은 대부분의 물체의 가시적인 외관에 기여하는 두 가지 주요 물리적 과정 중 하나이며, 다른 하나는 흡수입니다.흰색으로 묘사된 표면은 예를 들어 돌을 구성하는 투명한 미세 결정의 경계나 종이 한 장에 있는 미세 섬유에 의해 물체의 내부 또는 표면 불균일성에 의해 빛이 여러 번 산란되기 때문입니다.보다 일반적으로 표면의 광택(또는 광택 또는 광택)은 산란으로 결정된다.고도로 산란된 표면은 무광택 또는 무광택 마감으로 표현되며, 표면 산란이 없으면 광택이 나는 금속이나 돌처럼 보입니다.

특정 색상의 선택적 흡수인 스펙트럼 흡수는 탄성 산란에 의해 약간의 수정을 가하여 대부분의 물체의 색상을 결정한다.피부 정맥의 겉으로 보이는 파란색은 스펙트럼 흡수 및 산란 모두 착색에 중요하고 복잡한 역할을 하는 일반적인 예이다.빛 산란은 또한 하늘(Rayleigh 산란), 인간 푸른 홍채, 일부 새의 깃털처럼 흡수 없이 종종 파란색 음영을 만들어 낼 수 있다(Prum et al. 1998).그러나 나노 입자의 공명 빛 산란으로 인해 특히 표면 플라스몬 공명이 관련된 경우, 많은 다른 고포화 및 선명한 색조가 발생할 수 있다(Roqué et al. 2006).[15][16]

빛 산란 모델은 다음과 같이 정의된 무차원 크기 매개변수 α에 따라 세 개의 도메인으로 나눌 수 있다.

여기서 θDp 입자의 둘레이고 θ는 매질 내 입사 방사선의 파장입니다.α의 에 근거해, 이러한 도메인은 다음과 같습니다.

  • α δ 1: 레일리 산란(의 파장에 비해 작은 입자)
  • α ≤ 1: Mie 산란(빛의 파장과 동일한 크기의 입자, 구에만 유효)
  • α δ 1: 기하학적 산란(빛의 파장보다 훨씬 큰 산란).

레일리 산란(Rayleigh scating)은 입자, 버블, 액적 또는 밀도 변동과 같은 변이 굴절률의 작은 구형 부피로 산란되는 과정입니다.이 효과는 처음에 레일리 경에 의해 성공적으로 모델링되었고, 그 이름에서 따왔다.레일리 모델을 적용하기 위해서는 구체의 지름이 산란파의 파장(θ)보다 훨씬 작아야 합니다. 일반적으로 상한은 파장의 1/10 정도로 간주됩니다.이 크기 조건에서 산란 중심부의 정확한 모양은 일반적으로 매우 유의하지 않으며 종종 동등한 부피의 구로 취급될 수 있습니다.방사선이 순수 가스를 통과하는 고유 산란은 가스 분자가 움직이면서 발생하는 미세한 밀도 변동에 기인하며, 일반적으로 레일리 모델이 적용될 수 있을 만큼 크기가 작다.이 산란 메커니즘은 맑은 날 지구 하늘의 파란색을 만드는 주요 원인인데, 레일리의 유명한 1/14 파장에 따라 머리 위를 통과하는 짧은 파란색 파장이 긴 빨간색 파장보다 더 강하게 산란되기 때문입니다.흡수와 함께 이러한 산란은 [17]대기에 의한 방사선의 감쇠의 주요 원인이다.산란 정도는 편파, 각도, 간섭성 [18]등 많은 다른 요인들과 함께 방사선의 파장에 대한 입경 비율의 함수로 변화한다.

더 큰 직경의 경우, 구에 의한 전자파 산란 문제는 구스타프 미에에에 의해 처음 해결되었으며, 따라서 레일리 범위보다 큰 구에 의한 산란은 보통 미에 산란으로 알려져 있다.미에 체제에서는 산란 중심 형상이 훨씬 더 중요해지고 이론은 구체와 약간의 수정과 함께 구상체타원체에만 잘 적용된다.다른 단순한 형태에 의한 산란을 위한 폐쇄형 용액은 존재하지만 임의의 형태에 대해서는 일반적인 폐쇄형 용액이 알려져 있지 않다.

Mie와 Rayleigh 산란은 모두 빛의 에너지(그리고 파장과 주파수)가 실질적으로 변화하지 않는 탄성 산란 과정으로 간주된다.그러나 이동 산란 중심에서 산란되는 전자파 복사는 도플러 시프트를 거치는데, 도플러 시프트를 통해 산란 중심/초의 속도를 검출하여 레이더 등의 기술로 측정할 수 있다.이 변화는 에너지의 약간의 변화를 수반합니다.

약 10 이상의 파장에 대한 입경 비율의 값에서 기하학적 광학 법칙은 빛과 입자의 상호작용을 설명하기에 대부분 충분하다.Mie 이론은 여전히 이러한 더 큰 구에 사용될 수 있지만, 종종 그 해답은 수치적으로 다루기 어려워진다.

Rayleigh 및 Mie 모델이 적용되지 않는 경우(예: 더 크고 불규칙한 형태의 입자) 산란 모델링에는 여러 가지 수치 방법을 사용할 수 있습니다.가장 일반적인 방법은 맥스웰의 방정식을 풀어 산란 전자장의 분포를 구하는 유한 요소 방법이다.사용자가 공간의 산란 특징의 굴절률 또는 지수를 지정할 수 있는 정교한 소프트웨어 패키지가 존재하여 구조물의 2차원 또는 때로는 3차원 모델을 생성한다.비교적 크고 복잡한 구조의 경우 이러한 모델은 일반적으로 컴퓨터에서 상당한 실행 시간을 필요로 합니다.

전기영동은 전기장의 [19]영향을 받는 고분자의 이동을 수반한다.전기영동광 산란은 입자를 움직이게 하는 액체를 통해 전기장을 통과시키는 것을 포함한다.입자에 전하가 클수록 빠르게 이동할 [20]수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Newton, Isaac (1665). "A letter of Mr. Isaac Newton Containing his New Theory About Light and Colours". Philosophical Transactions. Royal Society of London. 6: 3087.
  2. ^ Herschel, William (1800). "Experiments on the Solar, and on the Terrestrial Rays that Occasion Heat". Philosophical Transactions. Royal Society of London. XC: 770.
  3. ^ Tyndall, John (1874). "On the Atmosphere as a Vehicle of Sound". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 164: 221. Bibcode:1874RSPT..164..183T. JSTOR 109101.
  4. ^ Merritt, Ernest (5 Oct 1898). "The Magnetic Deflection of Diffusely Reflected Cathode Rays". Electrical Review. 33 (14): 217.
  5. ^ "Recent Work with Röntgen Rays". Nature. 53 (1383): 613–616. 30 Apr 1896. Bibcode:1896Natur..53..613.. doi:10.1038/053613a0. S2CID 4023635.
  6. ^ Rutherford, E. (1911). "The Scattering of α and β rays by Matter and the Structure of the Atom". Philosophical Magazine. 6: 21.
  7. ^ 사인펠트, 존 H.; 판디스, 스파이로스 N. (2006)대기 화학 및 물리학 - 대기 오염에서 기후변화까지 (2일자).John Wiley & Sons, Inc.ISBN 0-471-82857-2
  8. ^ Colton, David; Rainer Kress (1998). Inverse Acoustic and Electromagnetic Scattering Theory. Springer. ISBN 978-3-540-62838-5.
  9. ^ Nachtmann, Otto (1990). Elementary Particle Physics: Concepts and Phenomena. Springer-Verlag. pp. 80–93. ISBN 3-540-50496-6.
  10. ^ "Zodiacal Glow Lightens Paranal Sky". ESO Picture of the Week. European Southern Observatory. Retrieved 2 December 2013.
  11. ^ Gonis, Antonios; William H. Butler (1999). Multiple Scattering in Solids. Springer. ISBN 978-0-387-98853-5.
  12. ^ Gonis, Antonios; William H. Butler (1999). Multiple Scattering in Solids. Springer. ISBN 978-0-387-98853-5.
  13. ^ Stover, John C. (1995). Optical Scattering: Measurement and Analysis. SPIE Optical Engineering Press. ISBN 978-0-8194-1934-7.
  14. ^ Colton, David; Rainer Kress (1998). Inverse Acoustic and Electromagnetic Scattering Theory. Springer. ISBN 978-3-540-62838-5.
  15. ^ Bohren, Craig F.; Donald R. Huffman (1983). Absorption and Scattering of Light by Small Particles. Wiley. ISBN 978-0-471-29340-8.
  16. ^ Roqué, Josep; J. Molera; P. Sciau; E. Pantos; M. Vendrell-Saz (2006). "Copper and silver nanocrystals in lustre lead glazes: development and optical properties". Journal of the European Ceramic Society. 26 (16): 3813–3824. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2005.12.024.
  17. ^ 사인펠트, 존 H.; 판디스, 스파이로스 N. (2006)대기 화학 및 물리학 - 대기 오염에서 기후변화까지 (2일자).John Wiley & Sons, Inc.ISBN 0-471-82857-2
  18. ^ Prum, Richard O.; Rodolfo H. Torres; Scott Williamson; Jan Dyck (1998). "Coherent light scattering by blue feather barbs". Nature. 396 (6706): 28–29. Bibcode:1998Natur.396...28P. doi:10.1038/23838. S2CID 4393904.
  19. ^ "Understanding Electrophoretic Light Scattering". Wyatt Technology.
  20. ^ "Light Scattering". Malvern Panalytical.

외부 링크