Las ondas electromagnéticas son una de las formas de radiación más conocidas y frecuentes que sufren dispersión. La dispersión de la luz y de las ondas de radio (especialmente en el radar) es especialmente importante. Varios aspectos diferentes de la dispersión electromagnética son lo suficientemente distintos como para tener nombres convencionales. Las principales formas de dispersión elástica de la luz (que implican una transferencia de energía insignificante) son la dispersión Rayleigh y la dispersión Mie. La dispersión inelástica incluye la dispersión Brillouin, la dispersión Raman, la dispersión inelástica de rayos X y la dispersión Compton.
La dispersión de la luz es uno de los dos procesos físicos principales que contribuyen a la apariencia visible de la mayoría de los objetos, siendo el otro la absorción. Las superficies descritas como blancas deben su aspecto a la dispersión múltiple de la luz por las inhomogeneidades internas o superficiales del objeto, por ejemplo por los límites de los cristales microscópicos transparentes que componen una piedra o por las fibras microscópicas de una hoja de papel. De forma más general, el brillo (o lustre o resplandor) de la superficie viene determinado por la dispersión. Las superficies con alta dispersión se describen como opacas o con un acabado mate, mientras que la ausencia de dispersión en la superficie da lugar a un aspecto brillante, como ocurre con el metal o la piedra pulidos.
La absorción espectral, la absorción selectiva de ciertos colores, determina el color de la mayoría de los objetos con alguna modificación por dispersión elástica. El color azul aparente de las venas de la piel es un ejemplo común en el que tanto la absorción espectral como la dispersión desempeñan papeles importantes y complejos en la coloración. La dispersión de la luz también puede crear color sin absorción, a menudo tonos de azul, como ocurre con el cielo (dispersión de Rayleigh), el iris azul humano y las plumas de algunas aves (Prum et al. 1998). Sin embargo, la dispersión resonante de la luz en las nanopartículas puede producir muchas tonalidades diferentes muy saturadas y vibrantes, especialmente cuando interviene la resonancia del plasmón superficial (Roqué et al. 2006).
Los modelos de dispersión de luz pueden dividirse en tres dominios basados en un parámetro de tamaño adimensional, α que se define como:
α = π D p / λ , {\displaystyle \alpha =\pi D_{text{p}}/\lambda ,}
donde πDp es la circunferencia de una partícula y λ es la longitud de onda de la radiación incidente en el medio. En función del valor de α, estos dominios son:
α ≪ 1: dispersión de Rayleigh (partícula pequeña comparada con la longitud de onda de la luz); α ≈ 1: dispersión de Mie (partícula del mismo tamaño que la longitud de onda de la luz, válida sólo para esferas); α ≫ 1: dispersión geométrica (partícula mucho mayor que la longitud de onda de la luz).
La dispersión de Rayleigh es un proceso en el que la radiación electromagnética (incluida la luz) es dispersada por un pequeño volumen esférico de índices de refracción variados, como una partícula, burbuja, gota o incluso una fluctuación de densidad. Este efecto fue modelizado por primera vez con éxito por Lord Rayleigh, de quien toma su nombre. Para que el modelo de Rayleigh se aplique, la esfera debe tener un diámetro mucho menor que la longitud de onda (λ) de la onda dispersa; normalmente el límite superior se toma como 1/10 de la longitud de onda. En este régimen de tamaño, la forma exacta del centro de dispersión no suele ser muy significativa y a menudo puede tratarse como una esfera de volumen equivalente. La dispersión inherente que sufre la radiación al atravesar un gas puro se debe a las fluctuaciones microscópicas de la densidad a medida que las moléculas del gas se mueven, que normalmente son lo suficientemente pequeñas en escala para que se aplique el modelo de Rayleigh. Este mecanismo de dispersión es la causa principal del color azul del cielo de la Tierra en un día claro, ya que las longitudes de onda azules más cortas de la luz solar que pasa por encima se dispersan con más fuerza que las longitudes de onda rojas más largas, según la famosa relación 1/λ4 de Rayleigh. Junto con la absorción, esta dispersión es una de las principales causas de la atenuación de la radiación por parte de la atmósfera. El grado de dispersión varía en función de la relación entre el diámetro de la partícula y la longitud de onda de la radiación, junto con otros muchos factores, como la polarización, el ángulo y la coherencia.
Para diámetros mayores, el problema de la dispersión electromagnética por esferas fue resuelto por primera vez por Gustav Mie, por lo que la dispersión por esferas mayores que el rango de Rayleigh suele conocerse como dispersión Mie. En el régimen de Mie, la forma del centro de dispersión se vuelve mucho más significativa y la teoría sólo se aplica bien a las esferas y, con algunas modificaciones, a los esferoides y elipsoides. Existen soluciones de forma cerrada para la dispersión por otras formas simples, pero no se conoce ninguna solución general de forma cerrada para formas arbitrarias.
Tanto la dispersión de Mie como la de Rayleigh se consideran procesos de dispersión elástica, en los que la energía (y, por tanto, la longitud de onda y la frecuencia) de la luz no cambia sustancialmente. Sin embargo, la radiación electromagnética dispersada por centros de dispersión en movimiento sí sufre un desplazamiento Doppler, que puede ser detectado y utilizado para medir la velocidad del/los centro/s de dispersión en formas de técnicas como el lidar y el radar. Este desplazamiento implica un ligero cambio de energía.
A valores de la relación entre el diámetro de la partícula y la longitud de onda superiores a unos 10, las leyes de la óptica geométrica son en su mayoría suficientes para describir la interacción de la luz con la partícula. La teoría de Mie aún puede utilizarse para estas esferas más grandes, pero la solución a menudo se vuelve numéricamente difícil de manejar.
Para el modelado de la dispersión en los casos en que los modelos de Rayleigh y Mie no se aplican, como las partículas más grandes y de forma irregular, hay muchos métodos numéricos que se pueden utilizar. Los más comunes son los métodos de elementos finitos que resuelven las ecuaciones de Maxwell para encontrar la distribución del campo electromagnético disperso. Existen sofisticados paquetes de software que permiten al usuario especificar el índice o los índices de refracción de la característica de dispersión en el espacio, creando un modelo bidimensional o a veces tridimensional de la estructura. Para estructuras relativamente grandes y complejas, estos modelos suelen requerir tiempos de ejecución considerables en un ordenador.
La electroforesis implica la migración de macromoléculas bajo la influencia de un campo eléctrico. La dispersión electroforética de la luz implica el paso de un campo eléctrico a través de un líquido que hace que las partículas se muevan. Cuanto mayor sea la carga de las partículas, más rápido podrán moverse.
