تشتت الضوء بواسطة الجسيمات

تشتت الضوء بواسطة الجسيمات هي العملية التي تقوم بها الجسيمات الصغيرة (مثل بلورات الجليد والغبار والجسيمات الجوية والغبار الكوني وخلايا الدم ) بتشتيت الضوء مما يسبب ظواهر بصرية مثل اللون الأزرق للسماء والهالات .

تشكل معادلات ماكسويل الأساس للطرق النظرية والحسابية التي تصف تشتت الضوء ، ولكن بما أن الحلول الدقيقة لمعادلات ماكسويل معروفة فقط لهندسة الجسيمات المحددة (مثل الكروية)، فإن تشتت الضوء بواسطة الجسيمات هو فرع من الكهرومغناطيسية الحسابية التي تتعامل مع تشتت الإشعاع الكهرومغناطيسي وامتصاصه بواسطة الجسيمات.

في حالة الأشكال الهندسية التي تُعرف حلولها التحليلية (مثل الكرات ، ومجموعة الكرات، والأسطوانات اللانهائية )، يتم حساب الحلول عادةً من حيث السلاسل اللانهائية . في حالة الأشكال الهندسية الأكثر تعقيدًا والجسيمات غير المتجانسة، يتم تقسيم معادلات ماكسويل الأصلية وحلها . تتم معالجة تأثيرات التشتت المتعدد لتشتت الضوء بواسطة الجسيمات بواسطة تقنيات النقل الإشعاعي (انظر، على سبيل المثال، أكواد النقل الإشعاعي الجوي ).

يتم تحديد الحجم النسبي لجسيم التشتت من خلال معامل حجمه x ، وهو نسبة أبعاده المميزة إلى طوله الموجي :

تنتمي طريقة FDTD إلى الفئة العامة لطرق النمذجة العددية القائمة على الشبكة في المجال الزمني التفاضلي. يتم تقسيم معادلات ماكسويل المعتمدة على الوقت (في شكل تفاضلي جزئي) باستخدام تقريبات الفرق المركزية للمشتقات الجزئية للمكان والزمان. يتم حل معادلات الفرق المحدودة الناتجة إما في البرامج أو الأجهزة بطريقة قفزة: يتم حل مكونات متجه المجال الكهربائي في حجم من الفضاء في لحظة معينة في الوقت؛ ثم يتم حل مكونات متجه المجال المغناطيسي في نفس الحجم المكاني في اللحظة التالية في الوقت؛ وتتكرر العملية مرارًا وتكرارًا حتى يتطور سلوك المجال الكهرومغناطيسي العابر أو المستقر المطلوب بشكل كامل.

تُعرف هذه التقنية أيضًا باسم طريقة الحقل الصفري وطريقة تقنية الحدود الممتدة (EBCM). يتم الحصول على عناصر المصفوفة من خلال مطابقة الشروط الحدودية لحلول معادلات ماكسويل. يتم توسيع المجال الوارد والمنتقل والمشتت إلى وظائف موجية متجهة كروية.

يتم تفسير التشتت من أي جسيمات كروية ذات معلمة حجم عشوائية من خلال نظرية مي . نظرية مي، والتي تسمى أيضًا نظرية لورينز-مي أو نظرية لورينز-مي-ديبي، هي حل تحليلي كامل لمعادلات ماكسويل لتشتت الإشعاع الكهرومغناطيسي بواسطة الجسيمات الكروية (بوهرين وهوفمان، 1998).

بالنسبة للأشكال الأكثر تعقيدًا مثل الكرات المطلية، والكرات المتعددة، والكرات الكروية ، والأسطوانات اللانهائية، توجد امتدادات تعبر عن الحل من حيث السلسلة اللانهائية. توجد أكواد متاحة لدراسة تشتت الضوء في تقريب مي للكرات ، والكرات ذات الطبقات، والكرات المتعددة والأسطوانات .

توجد عدة تقنيات لحساب تشتت الإشعاع بواسطة جسيمات ذات شكل عشوائي. التقريب ثنائي القطب المنفصل هو تقريب للهدف المتصل بواسطة مجموعة محدودة من النقاط القابلة للاستقطاب. تكتسب النقاط عزم ثنائي القطب استجابة للحقل الكهربائي المحلي. تتفاعل ثنائيات أقطاب هذه النقاط مع بعضها البعض عبر حقولها الكهربائية. تتوفر أكواد DDA لحساب خصائص تشتت الضوء في تقريب DDA.

تقريب	معامل الانكسار	معلمة الحجم	تحول الطور
تشتت رايلي	abs(mx) صغير جدًا	صغير جدا
البصريات الهندسية		كبير جدا	كبير جدا
نظرية الحيود الشاذة	abs(m-1) صغير جدًا	كبير جدًا
الزخم الزاوي المعقد	معتدل م	كبير x

نظام تشتت رايلي هو تشتت الضوء أو أي إشعاع كهرومغناطيسي آخر بواسطة جسيمات أصغر بكثير من طول موجة الضوء. يمكن تعريف تشتت رايلي بأنه تشتت في نظام ذي معلمات صغيرة الحجم . ${\displaystyle x\ll 1}$

تستطيع تقنيات تتبع الأشعة تقريب تشتت الضوء ليس فقط بواسطة الجسيمات الكروية ولكن أيضًا بواسطة أي شكل (واتجاه) محدد طالما أن حجم وأبعاد الجسيم الحرجة أكبر بكثير من الطول الموجي للضوء. يمكن اعتبار الضوء مجموعة من الأشعة التي يكون عرضها أكبر بكثير من الطول الموجي ولكنها صغيرة مقارنة بالجسيم نفسه. قد يتعرض كل شعاع يصطدم بالجسيم للانعكاس (الجزئي) و/أو الانكسار. تخرج هذه الأشعة في اتجاهات يتم حسابها بقوتها الكاملة أو (عندما يكون الانعكاس الجزئي متضمنًا) بقوة واردة مقسمة بين شعاعين (أو أكثر) خارجين. تمامًا كما هو الحال مع العدسات والمكونات البصرية الأخرى، يحدد تتبع الأشعة الضوء المنبعث من مبعثر واحد، وبجمع هذه النتيجة إحصائيًا لعدد كبير من المبعثرين الموجهين والموضعين عشوائيًا، يمكن للمرء وصف الظواهر البصرية الجوية مثل قوس قزح بسبب قطرات الماء والهالات بسبب بلورات الجليد. تتوفر أكواد تتبع الأشعة للبصريات الجوية .

• رموز التشتت الكهرومغناطيسي بواسطة الكرات
• رموز التشتت الكهرومغناطيسي بواسطة الاسطوانات
• رموز تقريب ثنائي القطب المنفصل
• طريقة مجال الزمن للفرق المحدود
• التشتت

• باربر، بي دبليو وإس سي هيل، تشتت الضوء بواسطة الجسيمات: الأساليب الحسابية، سنغافورة؛ تينيك، إن جيه، وورلد ساينتيفيك، حوالي عام 1990، 261 صفحة + قرصان كمبيوتر (3½ بوصة)، رقم ISBN  9971-5-0813-3 ، رقم ISBN 9971-5-0832-X (غلاف ورقي). 
• بوهرين، كريج ف. ودونالد ر. هوفمان، العنوان امتصاص وتشتت الضوء بواسطة الجسيمات الصغيرة، نيويورك: وايلي، 1998، 530 صفحة، ISBN 0-471-29340-7 ، ISBN 978-0-471-29340-8  
• هولست، إتش سي فان دي، تشتت الضوء بواسطة الجسيمات الصغيرة، نيويورك، منشورات دوفر، 1981، 470 صفحة، ISBN 0-486-64228-3 . 
• كيركر، ميلتون ، تشتت الضوء والإشعاعات الكهرومغناطيسية الأخرى، نيويورك، مطبعة الأكاديمية، 1969، 666 صفحة.
• ميشينكو، مايكل آي، جوب دبليو هوفينير، لاري دي ترافيس، تشتت الضوء بواسطة الجسيمات غير الكروية: النظرية والقياسات والتطبيقات، سان دييغو: أكاديميك بريس، 2000، 690 صفحة، ISBN 0-12-498660-9 . 
• ستراتون، جوليوس آدامز، النظرية الكهرومغناطيسية، نيويورك، لندن: شركة ماكجرو هيل للكتاب، 1941. 615 صفحة.