Rifrazione, riflessione e diffrazione

Nel caso di particelle con dimensioni che vanno dallo stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda della luce visibile a dimensioni molto maggiori, la diffusione della luce è dovuta a fenomeni diversi che ora esamineremo. Rientrano in questa categoria le particelle di aerosol.

Una prima causa della diffusione della luce da parte degli aerosoli  è la rifrazione dei raggi incidenti sulla superficie delle particelle. La distribuzione angolare e la polarizzazione della luce che è stata diffusa per rifrazione nonché la quantità di energia assorbita dipendono dalla forma, dalla composizione delle particelle, in particolare dall'indice di rifrazione del materiale, e dalle caratteristiche della loro superficie. Per una particella sferica la radiazione diffusa per rifrazione si concentra in una direzione prossima a quella in cui si propaga la radiazione incidente (Frontscatter).

Un altra causa di diffusione della luce è la riflessione da parte della superficie delle particelle. La riflessione può essere distinta in riflessione speculare o riflessione diffusa. Esaminiamo, ad esempio, il comportamento della luce sulla superficie di una particella sferica. Una particella lucida sferica che sia perfettamente riflettente invia luce in tutte le direzioni a causa della forma della superficie (scattering isotropo). Le particelle che hanno una superficie non perfettamente riflettente hanno un comportamento più complesso. Una superficie piana ``bianca'' che riemetta totalmente la luce incidente segue in genere la Legge di Lambert, ossia la sua brillanza superficiale è la stessa in tutte le direzioni indipendentemente dalla direzione da cui la superficie è illuminata. Per una particella sferica ``bianca'', tenuto conto della geometria del sistema si trova che l'intensità della radiazione diffusa ha un espressione del tipo : $$f(\theta)\propto (\sin \theta-\theta \cos \theta)$$

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ed è massima per $\theta\sim180$truept $\circ$cioè in direzione opposta a quella dei raggi incidenti (backscatter). L'intensità è invece uguale a zero nella loro stessa direzione. Le particelle reali avranno in genere una superficie in parte riflettente e in parte diffondente.

Un altro fenomeno che produce diffusione è la diffrazione. Il fronte d'onda che passa ove si trova una particella viene schermato dalla presenza della particella stessa. Per la natura della propagazione di un fronte d'onda, stabilita dal principio di Huygens, la presenza di questo ``schermo'' produce diffrazione. L'intensità della diffrazione nelle varie direzioni rispetto alla direzione originaria di propagazione del fronta d'onda incidente dipende dalla forma e dalle dimensioni delle particelle ma non dalla loro composizione o dalla natura della loro superficie.