Le onde elettromagnetiche sono una delle forme più note e più comunemente incontrate di radiazione che subiscono scattering. Lo scattering della luce e delle onde radio (specialmente nel radar) è particolarmente importante. Diversi aspetti diversi della dispersione elettromagnetica sono abbastanza distinti da avere nomi convenzionali. Le forme principali di dispersione elastica della luce (che comporta un trasferimento di energia trascurabile) sono la dispersione di Rayleigh e la dispersione di Mie. Lo scattering anelastico include lo scattering Brillouin, lo scattering Raman, lo scattering anelastico dei raggi X e lo scattering Compton.
Lo scattering della luce è uno dei due principali processi fisici che contribuiscono all’aspetto visibile della maggior parte degli oggetti, l’altro è l’assorbimento. Le superfici descritte come bianche devono il loro aspetto alla diffusione multipla della luce da disomogeneità interne o superficiali dell’oggetto, per esempio dai confini dei cristalli microscopici trasparenti che compongono una pietra o dalle fibre microscopiche in un foglio di carta. Più in generale, la lucentezza (o lustro o brillantezza) della superficie è determinata dalla dispersione. Le superfici ad alta dispersione sono descritte come opache o con una finitura opaca, mentre l’assenza di dispersione superficiale porta ad un aspetto lucido, come nel caso del metallo lucidato o della pietra.
L’assorbimento spettrale, l’assorbimento selettivo di certi colori, determina il colore della maggior parte degli oggetti con alcune modifiche dovute alla dispersione elastica. Il colore blu apparente delle vene nella pelle è un esempio comune in cui sia l’assorbimento spettrale che la dispersione giocano ruoli importanti e complessi nella colorazione. La diffusione della luce può anche creare colore senza assorbimento, spesso sfumature di blu, come nel cielo (diffusione Rayleigh), l’iride blu umana e le piume di alcuni uccelli (Prum et al. 1998). Tuttavia, la diffusione risonante della luce nelle nanoparticelle può produrre molte diverse tonalità altamente sature e vibranti, specialmente quando è coinvolta la risonanza plasmonica di superficie (Roqué et al. 2006).
I modelli di diffusione della luce possono essere divisi in tre domini basati su un parametro dimensionale, α che è definito come:
α = π D p / λ , {displaystyle \alpha =\pi D_{\text{p}}/\lambda ,}
dove πDp è la circonferenza di una particella e λ è la lunghezza d’onda della radiazione incidente nel mezzo. In base al valore di α, questi domini sono:
α ≪ 1: diffusione Rayleigh (particella piccola rispetto alla lunghezza d’onda della luce); α ≈ 1: diffusione Mie (particella di dimensioni circa uguali alla lunghezza d’onda della luce, valida solo per le sfere); α ≫ 1: diffusione geometrica (particella molto più grande della lunghezza d’onda della luce).
Lo scattering Rayleigh è un processo in cui la radiazione elettromagnetica (compresa la luce) viene diffusa da un piccolo volume sferico di vari indici di rifrazione, come una particella, una bolla, una goccia o anche una fluttuazione di densità. Questo effetto è stato modellato per la prima volta con successo da Lord Rayleigh, da cui prende il nome. Affinché il modello di Rayleigh sia applicabile, la sfera deve avere un diametro molto più piccolo della lunghezza d’onda (λ) dell’onda diffusa; tipicamente il limite superiore è preso a circa 1/10 della lunghezza d’onda. In questo regime di dimensioni, la forma esatta del centro di diffusione di solito non è molto significativa e spesso può essere trattata come una sfera di volume equivalente. Lo scattering intrinseco che la radiazione subisce passando attraverso un gas puro è dovuto a fluttuazioni microscopiche di densità quando le molecole del gas si muovono, che sono normalmente abbastanza piccole in scala per applicare il modello di Rayleigh. Questo meccanismo di dispersione è la causa principale del colore blu del cielo della Terra in una giornata limpida, poiché le lunghezze d’onda blu più corte della luce solare che passa sopra la testa sono più fortemente disperse delle lunghezze d’onda rosse più lunghe, secondo la famosa relazione 1/λ4 di Rayleigh. Insieme all’assorbimento, tale dispersione è la causa principale dell’attenuazione della radiazione da parte dell’atmosfera. Il grado di dispersione varia in funzione del rapporto tra il diametro della particella e la lunghezza d’onda della radiazione, insieme a molti altri fattori tra cui la polarizzazione, l’angolo e la coerenza.
Per diametri maggiori, il problema della dispersione elettromagnetica da parte delle sfere fu risolto per la prima volta da Gustav Mie, e la dispersione da sfere più grandi del campo di Rayleigh è quindi solitamente nota come dispersione Mie. Nel regime di Mie, la forma del centro di diffusione diventa molto più significativa e la teoria si applica bene solo alle sfere e, con qualche modifica, agli sferoidi e agli ellissoidi. Esistono soluzioni in forma chiusa per la diffusione da alcune altre forme semplici, ma nessuna soluzione generale in forma chiusa è nota per forme arbitrarie.
Sia la diffusione di Mie che quella di Rayleigh sono considerate processi di diffusione elastica, in cui l’energia (e quindi la lunghezza d’onda e la frequenza) della luce non viene sostanzialmente modificata. Tuttavia, la radiazione elettromagnetica diffusa da centri di dispersione in movimento subisce uno spostamento Doppler, che può essere rilevato e utilizzato per misurare la velocità del centro/i di dispersione in forme di tecniche come il lidar e il radar. Questo spostamento comporta un leggero cambiamento di energia.
A valori del rapporto tra diametro della particella e lunghezza d’onda superiori a circa 10, le leggi dell’ottica geometrica sono per lo più sufficienti a descrivere l’interazione della luce con la particella. La teoria di Mie può ancora essere usata per queste sfere più grandi, ma la soluzione spesso diventa numericamente ingombrante.
Per la modellazione dello scattering nei casi in cui i modelli di Rayleigh e Mie non si applicano, come particelle più grandi e di forma irregolare, ci sono molti metodi numerici che possono essere usati. I più comuni sono i metodi ad elementi finiti che risolvono le equazioni di Maxwell per trovare la distribuzione del campo elettromagnetico diffuso. Esistono pacchetti software sofisticati che permettono all’utente di specificare l’indice o gli indici di rifrazione della caratteristica di diffusione nello spazio, creando un modello bidimensionale o a volte tridimensionale della struttura. Per strutture relativamente grandi e complesse, questi modelli di solito richiedono tempi di esecuzione sostanziali su un computer.
L’elettroforesi comporta la migrazione di macromolecole sotto l’influenza di un campo elettrico. La diffusione elettroforetica della luce comporta il passaggio di un campo elettrico attraverso un liquido che fa muovere le particelle. Più grande è la carica sulle particelle, più velocemente esse sono in grado di muoversi.
