La diffusion Rayleigh se produit dans le cas de diffuseurs petits par rapport à la longueur (), ayant un indice de réfraction proche de l'unité ou satisfaisant .

La diffusion Rayleigh

Une onde électromagnétique incidente fait osciller le nuage électroniques des atomes. Le dipôle électrostatique généré rayonne une onde électromagnétique de même longueur d'onde : la diffusion Rayleigh.

Crédit : Christophe Dang Ngoc Chan, CC-BY-SA

Lorsqu'un onde électromagnétique rencontre le diffuseur, elle génère un dipôle électrostatique de moment , où est le champ électrique incident et α la polarisabilité du diffusant. Ce dipôle va rayonner une onde de même fréquence dans toutes les directions. Cependant, l'intensité et la polarisation de l'onde rayonnée vont dépendre de l'angle de diffusion.

On peut montrer que la fonction de phase est , où Θ est l'angle de diffusion.

En ce qui concerne la polarisation, on va considérer que la lumière incidente est non polarisée (ce qui est vrai pour la lumière solaire) et considérer les directions parallèle et perpendiculaire au plan de diffusion, que l'on va noter avec les indices et respectivement. La composante diffusée polarisée perpendiculairement au plan de diffusion, ne dépend pas de Θ, tandis que évolue en . Dès lors, si on s'intéresse au degré linéaire de polarisation, on aura :

Ceci rend compte du maximum de polarisation observé par diffusion Rayleigh pour un angle de phase de 90°.