개요
후방 산란(backscatter, backscattering)은 물리학에서 파동, 입자, 또는 신호가 입사된 방향(원래 온 방향)으로 되돌아오는 반사 현상을 말한다. 일반적으로 거울에서의 정반사(specular reflection)와 달리 산란(scattering)에 의한 난반사(diffuse reflection) 형태로 나타나지만, 표면에 수직으로 입사하는 경우 정반사 형태의 후방 산란이 발생할 수도 있다. 후방 산란의 반대 개념은 순방향 산란(forward scattering)으로, 예를 들어 구름과 같은 투명 매질이 햇빛을 확산시켜 부드러운 빛을 내는 경우가 이에 해당한다.
발생 메커니즘
후방 산란은 입사하는 파동이나 입자가 다양한 물리적 메커니즘에 의해 원래 진행 방향에서 벗어나 반대 방향으로 되돌아오는 경우에 발생한다. 대표적인 예는 다음과 같다.
- 미 산란(Mie scattering): 큰 입자에 의한 난반사로, 알펜글로우(alpenglow), 대일륜(glory) 현상과 기상 레이더 관측에 나타난다.
- 비탄성 산란: 전자기파와 전달 매질 간의 비탄성 충돌에 의한 브릴루앵 산란(Brillouin scattering)과 라만 산란(Raman scattering)이 있으며, 광섬유 분야에서 중요하다.
- 탄성 충돌: 가속 이온과 시료 간의 탄성 충돌에 의한 러더퍼드 후방 산란(Rutherford backscattering)이 대표적이다.
- 브래그 회절: 결정에서의 브래그 회절을 이용한 비탄성 산란 실험(중성자 후방 산란, X선 후방 산란 분광학)에 사용된다.
- 콤프턴 산란: 후방 산란 X선 이미징에 활용된다.
- 유도 후방 산란: 비선형 광학에서 관찰되는 현상으로, 삼파 방정식의 해로 기술된다.
한편, 일부 경우에는 산란이 등방성(등방적으로, 즉 특정 방향에 대한 선호 없이 여러 방향으로 고르게)으로 발생한다. 이때 "후방 산란"이라는 용어는 단지 검출기를 설치한 위치를 실용적인 이유로 지칭하는 데 사용되기도 한다. X선 이미징에서 후방 산란은 투과 이미징(transmission imaging)의 정반대 개념이며, 비탄성 중성자 또는 X선 분광학에서 후방 산란 기하학은 에너지 분해능을 최적화하기 위해 선택된다. 천문학에서 후방 산란광은 위상각(phase angle)이 90° 미만으로 반사된 빛을 의미한다.
또한 산란 강도가 후방 방향으로 증가하는 경우도 있다. 무작위 매질에서 관찰되는 코히어런트 후방 산란(coherent backscattering)이 대표적으로, 약한 국지화(weak localization) 효과로 인해 후방 방향에서 다중 산란이 강화되는 현상이다. 현탁액(suspension)과 같은 매질에서 가시광선에 대해 가장 전형적으로 관찰된다.
응용 분야
레이더, 특히 기상 레이더
후방 산란은 레이더 시스템의 기본 원리이다. 기상 레이더에서 후방 산란은 파장이 입자 직경보다 큰 경우(레일리 산란 영역) 표적 직경의 6제곱과 표적의 고유 반사 특성의 곱에 비례한다. 물은 얼음보다 약 4배 더 반사적이지만, 물방울이 눈송이나 우박보다 훨씬 작으므로 후방 산란 강도는 이 두 요인의 복합적 영향에 따라 달라진다. 우박과 큰 싸라기눈(고체 얼음)이 크기 때문에 가장 강한 후방 산란을 보이며, 녹는 눈이나 젖은 진눈깨비는 크기와 물 반사성을 결합하여 브라이트 밴드(bright band)로 나타난다. 이중 편광 기상 레이더는 수평 및 수직 편광에서의 후방 산란을 측정하여 신호 비율로부터 입자의 모양 정보를 추론한다.
광섬유
후방 산란 방법은 광섬유 응용 분야에서 광학적 결함을 감지하는 데 사용된다. 광케이블을 따라 전파되는 빛은 레일리 산란으로 인해 점진적으로 감쇠하며, 결함은 레일리 후방 산란광의 변화를 모니터링하여 감지된다. 후방 산란광은 광섬유를 따라 진행하면서 지수 함수적으로 감쇠하므로, 감쇠 특성은 로그 눈금 그래프로 표현된다. 이 방법은 광섬유 케이블을 절단하지 않고 한쪽 끝에서 측정할 수 있다는 장점이 있다.
주사 전자 현미경(SEM)
후방 산란 전자(backscattered electron, BSE)는 전자빔이 시료의 원자핵과 탄성 충돌하여 반사되어 나오는 고에너지 전자로, 시료의 원자 번호에 비례하여 생성률이 달라지므로 조성 차이에 따른 명암 대비를 강하게 나타낸다. 이는 주사 전자 현미경에서 시료의 미세 구조 및 조성 분석에 활용된다.
사진술
사진술에서 후방 산란은 플래시, 스트로브, 또는 비디오 조명에서 나오는 빛이 렌즈의 시야에 있는 입자(눈송이, 비, 안개, 공기 중의 먼지 등)에서 반사되어 사진에 빛의 반점으로 나타나는 현상을 의미한다. 이는 "오브 아티팩트"(orb artifact)라고 불리는 현상을 유발할 수 있다. 특히 렌즈와 내장 플래시 사이의 거리가 짧은 현대의 소형 디지털 카메라에서 이 현상이 발생할 가능성이 상대적으로 높다.
좌표계
후방 산란 정렬(BSA, Backscatter Alignment) 좌표계는 레이더 응용 분야에서 자주 사용되며, 전방 산란 정렬(FSA, Forward Scattering Alignment) 좌표계는 주로 광학 응용 분야에서 사용된다. 표적의 후방 산란 특성은 파장에 따라 달라지며 편광에 따라서도 달라질 수 있으므로, 여러 파장이나 편광을 사용하는 센서 시스템은 표적 특성에 대한 추가 정보를 도출하는 데 사용될 수 있다.
같이 보기
- 산란(scattering)
- 전방 산란(forward scattering)
- 러더퍼드 후방 산란 분광법(Rutherford backscattering spectrometry)
- 전자 후방 산란 회절(EBSD)
- 후방 산란 X선(공항 보안 검색 등)
- 콤프턴 산란
참고 자료
- 위키백과 "후방 산란" 문서
- 위키백과 "러더퍼드 후방 산란 분광법" 문서
- Merriam-Webster, "Backscatter" 정의
- ScienceDirect Topics, "Backscattering" 개요
