La diffusione di Rayleigh (pronunciato /ˈreɪli/, che prende il nome dal fisico britannico Premio Nobel John William Strutt Rayleigh[1]) è lo scattering elastico (o diffusione) di un'onda luminosa provocato da particelle piccole rispetto alla lunghezza d'onda dell'onda stessa, che avviene ad esempio quando la luce attraversa un mezzo torbido, soprattutto gas e liquidi o anche solidi con impurezze o inclusioni. Ancora, lo scattering di Rayleigh nelle molecole dell'aria è il motivo principale per cui il cielo appare di colore azzurro.
In particolare, questo scattering avviene per radiazione meno energetica dell'energia di legame dell'elettrone con l'atomo. In questa condizione, il fotone non può intaccare la struttura interna dell'atomo e così la sua energia non cambia. Poiché la diffusione è elastica, la radiazione diffusa ha la stessa frequenza (e lunghezza d'onda) di quella incidente. La radiazione diffusa è detta anche radiazione Rayleigh.