ミー散乱さんらん

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主おもにミー散乱さんらんによって起おこるチンダル現象げんしょう
火星かせい探査たんさ機きキュリオシティがゲールクレーターで撮影さつえいした火星かせいの青あおい夕焼ゆうやけ[1]
完全かんぜん導電性どうでんせい金属きんぞく球だまのレーダー反射はんしゃ断だん面積めんせき(RCS)の計算けいさんから、強度きょうどが周波数しゅうはすうの関数かんすうとなるミー散乱さんらん理論りろんを表あらわしたグラフ。左側ひだりがわの（漸近ぜんきん線せんが右みぎ上あがり）の領域りょういきはレイリー散乱さんらんで、中央ちゅうおうから右側みぎがわの（漸近ぜんきん線せんが水平すいへい）の領域りょういきはミー散乱さんらん。

ミー散乱さんらん（ミーさんらん、独どく: Mie-Streuung）は、光ひかりの波長はちょう程度ていど以上いじょうの大おおきさの球形きゅうけいの粒子りゅうしによる光ひかりの散乱さんらん現象げんしょうである[2]。粒子りゅうしのサイズが非常ひじょうに大おおきくなると、ミー散乱さんらんと幾何きか光学こうがくの二ふたつの手法しゅほうによる計算けいさん結果けっかが類似るいじするようになる。なお、波長はちょうに対たいして粒子りゅうし（散乱さんらん体たい）が大おおきい場合ばあいは回折かいせつ散乱さんらんが、光ひかりの波長はちょうの1/10以下いかになるとレイリー散乱さんらんが適用てきようされる。

グスタフ・ミー（英語えいご版ばん、ドイツ語ご版ばん）により厳密げんみつ解かいが導みちびかれたとされているが、同どう時期じきにルードヴィヒ・ローレンツやピーター・デバイなども厳密げんみつ解かいを得えていた。散乱さんらんの特徴とくちょうとして、粒子りゅうしのサイズが大おおきくなるにつれて前方ぜんぽうへの指向しこう性せいが強つよくなる。その際さいには、側がわ方かたおよび後方こうほうへはあまり散乱さんらんしなくなる。

ミー散乱さんらんが関かかわる自然しぜん現象げんしょう[編集へんしゅう]

雲くもが白しろく見みえる一因いちいんである。これは雲くもを構成こうせいする雲くも粒つぶの半径はんけいが数かず - 数かず10 µm の大おおきさで、太陽光たいようあきらの可視かし光線こうせんの波長はちょうに対たいしてミー散乱さんらんの領域りょういきとなり、可視かし域いきの太陽たいよう放射ほうしゃがどの波長はちょう域いきでもほぼ同どう程度ていどに散乱さんらんされるためである[3][4]。

地球ちきゅうでは空気くうき分子ぶんしによるレイリー散乱さんらんが青あおい空そらを見みせているが、地球ちきゅうに比くらべて低ひく重力じゅうりょくの火星かせいでは、大気たいきに空気くうき分子ぶんしが少すくないため浮遊ふゆうする土埃つちぼこり（ダスト）のミー散乱さんらんが卓越たくえつし空そらは違ちがった色いろとなる。火星かせいの昼間ひるまの空そらは赤あかく、夕焼ゆうやけは青あおいが、これは火星かせいのダストの粒子りゅうし径みちでは可視かし光こう領域りょういきにおいて長波ちょうは長ちょうのほうが強つよく散乱さんらんされるためと考かんがえられている。昼間ひるまは散乱さんらんされた長波ちょうは長ちょうの赤色あかいろ光こうが空そらを赤あかに色いろづかせ、太陽たいようが低ひくい夕方ゆうがたは赤色あかいろ光こうが散乱さんらん過多かたで減衰げんすいし散乱さんらんされにくい短波たんぱ長ちょうの青色あおいろ光こうが見みえる[5][6][7]。

応用おうよう[編集へんしゅう]

がんの検出けんしゅつとスクリーニング[編集へんしゅう]

ミー散乱さんらん理論りろんは、角度かくど分解ぶんかい低ていコヒーレンス干渉かんしょう法ほう（英語えいご版ばん）を用もちいて、細胞さいぼう組織そしきからの散乱さんらん光こうが、健常けんじょう細胞さいぼう核かくまたは癌がん細胞さいぼう核かくによるかどうかを決定けっていするために用もちいられてきた。

磁性じせい粒子りゅうし[編集へんしゅう]

磁性じせい体たい粒子りゅうしにおいて、多数たすうの異常いじょうな電磁でんじ散乱さんらん効果こうかが生しょうじる。比ひ誘電ゆうでん率りつが透とおる磁率に等ひとしい場合ばあい、後方こうほう散乱さんらん利得りとくはゼロである。また、散乱さんらん放射ほうしゃは、入射にゅうしゃ放射ほうしゃと同おなじ向むきで偏へん光ひからされる。粒子りゅうしサイズがミー散乱さんらんの起おきる限界げんかいまで小ちいさい場合ばあいでは、前方ぜんぽう散乱さんらんがゼロであり、他たの方向ほうこうの散乱さんらん放射ほうしゃの完全かんぜんな偏へん光こうのために、前方ぜんぽう散乱さんらんと後方こうほう散乱さんらんにおける非対称ひたいしょう性せいが生しょうじる[8]。

メタマテリアル[編集へんしゅう]

ミー散乱さんらん理論りろんはメタマテリアルの設計せっけいに使用しようされている。この種たねのメタマテリアルは、通常つうじょう、低てい誘電ゆうでん率りつ構造こうぞう体たいに周期しゅうき的てきまたはランダムに埋うめ込こまれた金属きんぞくまたは非金属ひきんぞく介在かいざい物ぶつの三さん次元じげん複ふく合あい材料ざいりょうからなる。

この場合ばあい、負まけの誘電ゆうでん率りつ、もしくは透とおる磁率は、介在かいざい物ぶつの共鳴きょうめいミー散乱さんらん時じに現あらわれるように設計せっけいされる。

負まけの実効じっこう誘電ゆうでん率りつは電気でんき双極そうきょく子こ散乱さんらん係数けいすうの共鳴きょうめい時じに、負まけの実効じっこう透とおる磁率は磁気じき双極そうきょく子こ散乱さんらん係数けいすうの共鳴きょうめい時じに合あわせて設計せっけいされ、DNG（誘電ゆうでん率りつ、透とおる磁率ともに負まけの）媒質ばいしつはこの両方りょうほうに合あわせて設計せっけいされる。粒子りゅうしは通常つうじょう、以下いかの組くみ合あわせを有ゆうする。

  1. 比ひ誘電ゆうでん率りつと透とおる磁率の値ねが1よりも大おおきく近接きんせつしている1組くみの磁性じせい体たい誘電ゆうでん体たい粒子りゅうし
  2. 等ひとしい誘電ゆうでん率りつを有ゆうするが異ことなるサイズを有ゆうする2つの異ことなる誘電ゆうでん体たい粒子りゅうし
  3. 大おおきさは同おなじであるが誘電ゆうでん率りつが異ことなる2つの異ことなる誘電ゆうでん体たい粒子りゅうし

理論りろん的てきには、ミー散乱さんらん理論りろんによって分析ぶんせきされる粒子りゅうしは一般いっぱんに球形きゅうけいであるが、実際じっさいには、粒子りゅうしは通常つうじょう、製作せいさくを容易よういにするために立方体りっぽうたいまたは円柱えんちゅうとして作製さくせいされる。格子こうし定数ていすうが動作どうさ波長はちょうよりもはるかに小ちいさいという形かたちで述のべることができる均質きんしつ化かの基準きじゅんを満みたすためには、誘電ゆうでん体たい粒子りゅうしの比ひ誘電ゆうでん率りつは1よりはるかに大おおきくなければならない。負まけの有効ゆうこう誘電ゆうでん率りつ、たとえば負まけの誘電ゆうでん率りつ（もしくは透とおる磁率）を達成たっせいするためには比ひ誘電ゆうでん率りつ（もしくは透とおる磁率）は εいぷしろんr > 78(38) でなければならない[9][10][11]。

アンテナ[編集へんしゅう]

ミー散乱さんらん理論りろんでは、先さきに磁性じせい粒子りゅうしの項こうで上あげた通とおり、前方ぜんぽうおよび後方こうほう散乱さんらんでは非対称ひたいしょう性せいが生しょうじうるので、これを利用りようすることで指向しこう性せいアンテナを作成さくせいすることができる。さらに、誘電ゆうでん体たい中ちゅうにおける波長はちょう（光速こうそく）の変化へんかによって、通常つうじょう空間くうかんに比ひしてアンテナは小型こがたになりうる。結果けっか、高たかい指向しこう性せいと小型こがた化かを両立りょうりつしたアンテナを作成さくせいできる[12]。

また、誘電ゆうでん体たい粒子りゅうしの共鳴きょうめいミー散乱さんらんを相互そうご結合けつごうの代かわりに用もちいることで、八木やぎアンテナを形成けいせいすることも可能かのうであり、これを用もちいたナノスケールのアンテナを光学こうがく素子そしとして用もちいる方法ほうほうも提案ていあんされている[13]。

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

[脚注きゃくちゅうの使つかい方かた]
  1. ^ “火星かせいの青あおい夕焼ゆうやけ、キュリオシティーが撮影さつえい”. www.afpbb.com (2015年ねん5月がつ14日にち). 2023年ねん7月がつ29日にち閲覧えつらん。
  2. ^ 鶴田つるた (1993).
  3. ^ 小倉おぐら 1999, p. 124-126.
  4. ^ 荒木あらき 2014, p. 111-112.
  5. ^ 中ちゅう串くしほか 2007.
  6. ^ 光ひかりの百科ひゃっか事典じてん、pp.580-593（著者ちょしゃ: 柴田しばた清孝きよたか）
  7. ^ “火星かせいの夕焼ゆうやけはなぜ「青あおい」のか？ 光ひかりの散乱さんらんと大気たいきの美うつくしい関係かんけい (3/4)”. ナゾロジー (2022年ねん5月がつ3日にち). 2023年ねん7月がつ29日にち閲覧えつらん。
  8. ^ Kerker, Wang & Giles (1982).
  9. ^ Holloway et al. (2003).
  10. ^ Zhao et al. (2009).
  11. ^ Li & Bowler (2012).
  12. ^ Alexander et al. (2014).
  13. ^ Alexander et al. (2012).

参考さんこう文献ぶんけん[編集へんしゅう]

関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]

  • レイリー散乱さんらん - ミー散乱さんらんと異ことなり、光ひかりの波長はちょうよりも小ちいさいサイズの粒子りゅうしによる光ひかりの散乱さんらん。

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