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Lichtstreuung in der Optik (Physik)

Lichtstreuung entsteht durch Wechselwirkung einer elektromagnetischen Welle (z.B. Licht) und Teilchen (z.B. Valenzelektronen) der Materie. Das Licht, das also mit der Materie (z.B. Oberflächen) in Wechselwirkung tritt, ist verantwortlich für die Farbe von Gegenständen. Die Lichtstreuung ist dabei abhängig von der Wellenlänge des Lichtes und der Durchmesser der Teilchen, mit denen das Licht in Wechselwirkung tritt. Der Vorgang der Lichtstreuung setzt sich daher immer aus einer Absorption (Materie absorbiert “Energie”) und einer Emission (Materie gibt aufgenommene Photonen wieder ab) zusammen. Dies macht man sich in der Analytik zunutze, beispielsweise bei der Bestimmung von Molmassen mit Hilfe der Lichtstreuung.

Die Lichtstreuung

Wie bereits erwähnt resultiert die Lichtstreuung durch Wechselwirkung von Licht (Photonen) und Materie. Zuerst einmal sollte man die wichtigsten Arten der Lichtstreuung kurz vorstellen:

  • Wenn die Energie des absorbierten Photons gleich der Energie des emittierten Photons ist, handelt es sich um eine elastische Streuung. Beispiele hierfür sind die Rayleigh-Streuung, Mie-Streuung. Diese finden in der Analytik sehr oft Verwendung, beispielsweise die Rayleigh-Streuung an Atomen und Molekülen von der Mie-Streuung an Flüssigkeitströpfchen.
  • Wenn die Energie des absorbierten Photons ungleich der Energie des emittierten Photons ist, handelt es sich um eine inelastische Streuung. Beispiel hierfür ist Raman-Streuung

Die Rayleigh-Streuung liegt dann vor, wenn der Durchmesser der Teilchen (die mit Licht bestrahlt werden) viel kleiner sind als die Wellenlänge des Lichtes mit dem es bestrahlt wird.
Mie-Streuung liegt vor, wenn das Licht auf Teilchen trifft (bzw. mit diesen in Wechselwirkung tritt), die ungefähr so groß sind wie die Wellenlänge des Lichtes mit dem es bestrahlt wird. Dabei werden alle einfallenden Wellenlängen gleichmäßig gestreut.
Die (Stokes-) Raman-Streuung liegt vor, wenn ein Teil der Energie des eingestrahlten Photons auf das Teilchen übertragen wird. Das Teilchen wird angeregt (beginnt zu Schwingen), während das Licht (bzw. die Photonen), um die Energie, die absorbiert wird, wieder abgestrahlt wird.

Anmerkung:
Mit Hilfe der Formel für die Rayleigh-Streuung erklären, dass in der Luft Licht umso stärker gestreut, je kleiner die Wellenlänge des Lichts ist. Daraus folgt, dass blaues Licht stärker gestreut als rotes Licht. Mit Hilfe der Theorie der Lichtstreuung lassen sich populärwissenschaftliche Phänomene wie die Färbung des Himmels erklären. So erscheint der Himmel am Tag blau und Abends eher rot. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass Abends bei tiefem Sonnenstand der Weg des Lichts durch die Atmosphäre länger ist, als Tagsüber.

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Autor: , Letzte Aktualisierung: 23. Januar 2023
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