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'''粒子的光散射'''是小顆粒（例如[[冰晶]]、[[塵埃]]、大氣[[顆粒]]、[[宇宙塵埃]]和[[血細胞]]）[[散射#電磁散射|散射光]]導致[[光學現象]]的過程，例如[[天空]]的[[瑞利散射|藍色]]和[[暈|光暈]]。

[[馬克士威方程組]]是描述光[[散射]]的理論和計算方法的基礎，但由於馬克士威方程組的精確解僅對選定的粒子幾何形狀（如球形）已知，因此粒子的光散射是{{link-en|計算電磁學|Computational electromagnetics}}的一個分支，處理粒子吸收和散射電磁輻射。

對於已知[[解析解]]的[[形狀|幾何]]（例如 [[球面]]、球體簇、無限[[圓柱體]]），解通常根據[[級數#無窮級數|無窮級數]]計算。對於更複雜的幾何形狀和非均勻粒子，原始麥克斯韋方程組是[[離散化]]和[[偏微分方程#求解偏微分方程的方法|求解]]。粒子光散射的多重散射效應通過輻射傳輸技術進行處理（參見，例如{{link-en|大氣輻射傳輸代碼|Atmospheric radiative transfer codes}}）。

散射粒子的相對大小由其大小參數 {{mvar|x}} 定義，該參數是其[[直徑|特徵尺寸]]與其[[波長]]的比值：
{{align|center|<math>x = \frac{2 \pi r} {\lambda}.</math>}}

== 精確的計算方法 ==

=== 時域有限差分法 ===
{{main|時域有限差分}}
時域有限差分法（FDTD）屬於基於網格的微分時域數值建模方法的一般類別。 瞬態麥克斯韋方程組（偏微分形式）使用空間和時間偏導數的中心差分近似進行離散化。得到的有限差分方程在軟體或硬體中以跳躍的方式求解：體積空間中的電場向量分量在給定的時刻求解；然後對同一空間體積下的磁場向量分量在下一個時刻求解；該過程一遍又一遍地重複，直到所需的瞬態或穩態電磁場行為完全演化。

=== T型基質 ===
{{main|T矩陣法}}
該技術也稱為零場法和擴展邊界法（EBCM）。矩陣單元是通過匹配麥克斯韋方程組解的邊界條件獲得的。入射場、透射場和散射場被擴展為球面向量波函數。

== 計算近似 ==

=== 米氏近似 ===
{{main|米氏散射}}
任何具有任意尺寸參數的球形粒子的散射都可以用[[米氏散射|米氏理論]]來解釋。米氏理論，也稱為洛倫茲-米氏理論或洛倫茲-米氏-德拜理論，是球形粒子散射電磁輻射的麥克斯韋方程組的完整解析解（Bohren 和 Huffman，1998）。

對於更複雜的形狀，例如塗層球體、{{link-en|多球體|Multispheres}}、[[橢球體]]和無限圓柱體，有一些擴展以無窮級數表示解。有可用於研究米氏近似的光散射代碼：球體、分層球體和多個球體的{{link-en|球體電磁散射代碼|Codes for electromagnetic scattering by spheres}}和圓柱體的{{link-en|圓柱體電磁散射代碼|Codes for electromagnetic scattering by cylinders}}。

=== 離散偶極子近似 ===
{{main|離散偶極子近似}}
有幾種技術可以計算任意形狀的粒子對輻射的散射。[[離散偶極近似]]是有限可極化點陣列對連續介質目標的近似。這些點回應局部電場而獲得偶極矩。這些點的偶極子通過它們的電場相互作用。
有[[離散偶極近似#DDA代碼|DDA代碼]]可用於計算DDA近似的光散射特性。

== 近似方法 ==
{|class="wikitable"
!近似值||[[折射率]] ||尺寸參數||相移
|-
||[[瑞利散射]]|| abs(mx) 非常小（䯢） || 非常小  ||
|-
||[[幾何光學]]|| || 非常大|| 非常大
|-
||{{link-en|反常衍射理論|Anomalous diffraction theory}}|| abs(m-1) 非常小|| x 大 ||
|-
||復角動量|| 溫和 m || 大 x ||
|-
|}

=== 瑞利散射 ===
[[瑞利散射]]狀態是光或其它電磁輻射的散射，由遠小於光波長的粒子散射。   瑞利散射可以定義為小尺寸參數狀態<math> x \ll 1 </math> 中的散射。

[[File:Rainbow single reflection.svg|right|250px|thumb|光線從一個方向（通常是來自太陽的光束）進入雨滴，從雨滴的背面反射，並在離開雨滴時呈扇形散開。離開雨滴的光以廣角分佈，最大強度為40.89-42°。]]

=== 幾何光學 （光線追蹤）===
{{main|幾何光學}}
{{link-en|光線追蹤|Ray tracing (physics)}}技術不僅可以通過球形粒子，還可以通過任何指定形狀和方向的粒子來近似光散射，只要粒子的大小和臨界尺寸遠大於光的波長。光可以被認為是光線的集合，其寬度遠大於波長，但與粒子本身相比卻很小。每條照射到粒子上的光線都可能發生（部分）反射和/或折射。這些光線的出射方向是用它們的全部功率計算的，或者（當涉及部分反射時）將入射功率分配給兩條（或更多）出射光線。就像透鏡和其它光學元件一樣，光線追蹤可以確定單個散射體發出的光，並將該結果統計地結合大量隨機定向和定位的散射體，可以描述大氣光學現象，例如水滴導致的[[彩虹]]和冰晶引起的[[暈|光暈]]。有{{link-en|大氣光學光線追蹤代碼|Atmospheric optics ray-tracing codes}}可用。

== 相關條目 ==
*{{link-en|球體電磁散射代碼|Codes for electromagnetic scattering by spheres}}
*{{link-en|圓柱體電磁散射代碼|Codes for electromagnetic scattering by cylinders}}
*[[離散偶極近似]]
*[[時域有限差分]]
*[[散射]]

== 參考資料 ==
*Barber,P.W. and  S.C. Hill, Light scattering by particles : computational methods, Singapore ; Teaneck, N.J., World Scientific, c1990, 261 p.+ 2 computer disks (3½ in.), {{ISBN|9971-5-0813-3}},   {{ISBN|9971-5-0832-X}} (pbk.)
*Bohren, Craig F.  and Donald R. Huffman, Title Absorption and scattering of light by small particles,  New York : Wiley, 1998, 530 p., {{ISBN|0-471-29340-7}},  {{ISBN|978-0-471-29340-8}}
*Hulst, H. C. van de, Light scattering by small particles, New York, Dover Publications, 1981, 470 p., {{ISBN|0-486-64228-3}}.
*[[Milton Kerker|Kerker, Milton]], The scattering of light, and other electromagnetic radiation, New York, Academic Press, 1969, 666 p.
*Mishchenko, Michael I., Joop W. Hovenier, Larry D. Travis, Light scattering by nonspherical particles: theory, measurements, and applications, San Diego : Academic Press, 2000, 690 p., {{ISBN|0-12-498660-9}}.
*Stratton, Julius Adams, Electromagnetic theory, New York, London, McGraw-Hill book company, inc., 1941. 615 p.

{{DEFAULTSORT:Light Scattering By Particles}}
[[Category:光學散射，吸收和輻射轉移]]