散射的过程较为复杂，涉及衍射光学与统计光学的理论。散射光场的性质依赖于散射元素的大小、形态及其微观结构，以及散射元素间的平均距离。
散射的分类
散射根据入射光波长的改变可分为弹性散射与非弹性散射。弹性散射中，散射光的波长与入射光相同，表明光子能量未变；而非弹性散射涉及散射光波长相对入射光的变化，光子能量因散射而增加或减少。依据散射过程，弹性散射进一步分为瑞利散射与米氏散射，非弹性散射则包括拉曼散射、康普顿散射等类型。
对于弹性散射，散射颗粒的尺寸是决定散射类型的关键因素。
散射颗粒尺寸与散射类型的关系
当散射颗粒的大小远大于光波长，介质对入射光看起来是均匀的，不会发生散射。散射颗粒的大小接近光波长时，如胶体、乳浊液、烟雾和灰尘，会引发米氏散射。这种散射不会改变光的波长，其强度与频率的二次方成正比，且米氏散射具有较明显的方向性。当散射颗粒的大小相对于光波长较大时，米氏散射强度与波长的依赖性减弱。
而对于远小于光波长的散射颗粒，如气体分子，会发生瑞利散射。瑞利散射同样不改变光波长，但其散射强度与波长λ的四次方成反比，与频率ω的四次方成正比，这一关系可表述为：
所以说，对于瑞利散射而言，波长越小的入射光，散射越强烈。
天蓝——瑞利散射
天空的蓝色主要是由瑞利散射引起的。地球大气主要由氮气和氧气构成，这些气体分子的直径远小于可见光的波长。因此，在晴朗的日子里，太阳光穿透较薄的大气层时会经历瑞利散射。此外，太阳光的光谱大部分集中在500 nm附近，正好位于蓝光和绿光的交界。瑞利散射的波长依赖性与太阳光谱的集中特性相结合，使得较短波长的蓝色光比较长波长的光更易于被散射，从而使天空呈现蓝色。
夕阳红——瑞利散射
夕阳的红色也源于瑞利散射。在日出和日落时，太阳位于地平线附近，此时阳光须穿越更厚的大气层，导致其在大气中的行程延长。由于瑞利散射对波长的选择性，大部分短波长的蓝光在抵达地面前已被散射，到达地面的主要是波长较长的红至橙色光，因此夕阳显橘红色。
此外，天空颜色的形成归因于大气中气体分子对太阳光的瑞利散射。若无大气层，则无散射现象，天空将显黑色，宇航员在月球上的照片验证了这一点。
光的瑞利散射概率与波长的光系
云白——米氏散射
在晴朗天气下，云朵之所以呈现白色，是因为米氏散射作用。云是由无数小水滴或冰晶构成的，这些微粒的大小与可见光的波长类似。米氏散射对波长的选择性很差，因此当阳光穿透云层时，云内的微滴会均匀散射所有颜色的光线，方向广泛，同时，较大的水滴会直接反射阳光的白光。因此，云朵的颜色基本与太阳光相同，在晴天显白。日出或日落期间，由于瑞利散射作用，剩余的光线主要为红橙色，导致云朵呈现出红色，形成了朝霞和晚霞的壮丽景象。
日落后的瑞利散射现象
云朵中的小水滴发生散射，大水滴发生反射
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