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Streuung ist ein allgemeiner physikalischer Prozess, bei dem Strahlungsformen, wie Licht, Schall oder sich bewegende Teilchen, aufgrund von lokalisierten Ungleichförmigkeiten im Medium, durch das sie hindurchgehen, gezwungen sind, von einer geraden Flugbahn abzuweichen.
Unter Streuung versteht man in der konventionellen Definition auch Reflektionen. In diesem Sonderfall erfolgt die Abweichung der reflektierten Strahlung in dem durch das Reflexionsgesetz vorhergesagten Winkel.
Reflexionen, die gestreut werden, werden oft als diffuse Reflexionen und ungestreute Reflexionen als spiegelnde Reflexionen bezeichnet.

Definition

Wenn Licht also auf ein kleines Objekt (ein Teilchen oder ein Molekül) "trifft" und dabei seine Richtung ändert handelt es sich um Lichtstreuung. Wenn auf der anderen Seite, das Licht durch die Begegnung mit dem Objekt verschwindet, nennt man das Phänomen Absorption.

Prinzipiell unterscheidet man zwischen:

Im Gegensatz zur Streuung findet bei der Beugung eine Ablenkung der Strahlung an der Kante eines Hindernisses.

Bei der Brechung ist die Ablenkung der Strahlung bedingt durch eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit die wiederum auf einer Änderung des Mediums bzw. dessen Dichte basiert.

Optik

Abgesehen von der spiegelnden LichtStreuung (Reflektion) handelt es sich um eine komplexe Interaktion, die sich nur schwer in physikalische (optische) Formel und Gesetze pressen lässt.

Die Lichtstreuung bei Weiß- und Buntpigmenten unterliegt komplexer Resonanzerscheinung. Wenn ein Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge auf ein Teilchen trifft, wird es unter bestimmten Bedingungen zu elektromagnetischen Schwingung angeregt die die gleiche (bzw. ähnliche) Frequenz hat wie das anregende Licht. Zu den Bedingungen gehören die Brechzahlen von Pigment und Medium sowie das Verhältnis von Lichtwellenlänge zu Teilchendurchmesser.

Rayleigh

Bei der elastischen Rayleigh-Streuung an kleinen Teilchen wie Atomen oder Molekülen, kommt es zu einer gleichmäßigen Streustrahlung in alle Richtungen. Sie ist wellenlängenabhängig, wobei kürzere Wellenlängen stärker gestreut werden.

Beispiel: Der Anteil des blauen Lichts der Sonne, das auf die obere Atmosphäre trifft, wird etwa zehnmal stärker gestreut als rotes Licht und so erscheint der Himmel blau.
Die bei der Streuung auftretende Polarisation des Lichtes dient beispielsweise den Bienen zur Orientierung.

Mie Theorie

Die Mie-Streuung erzeugt den Tyndall-Effekt. Dieser entsteht bei Streuung an relativ großen Partikeln deren Durchmesser etwa der Wellenlänge des Lichts entspricht.
Die resultierende Streustrahlung ungleichmäßig ist und der Effekt ist nicht sehr wellenlängenabhängig.

Beispiel: Bei diesem Vorgang entsteht weißes Streulicht in den Wolken oder dem Nebel. Die Tröpfchen in Wolken oder Nebel haben einen Durchmesser von etwa 10-20 Mikrometern und streuen alle sichtbaren Wellenlängen mehr oder weniger gleichmäßig. Das bedeutet, dass fast das gesamte Licht, das in die Wolken eintritt, gestreut wird. Da alle Wellenlängen gestreut werden, erscheinen die Wolken weiß.
Wenn die Wolken sehr tief werden, dringt immer weniger von der einfallenden Sonnenstrahlung bis zum Boden der Wolke vor, was diesen Wolken ein dunkleres Aussehen verleiht.

Zusammenhang zwischen Durchmesser der Partikel und Effizienz der Streuung

Zusammenhang zwischen Größe, Lichtwellenlänge und Brechungsindex von Teilchen und Medium.
Bei einem definierten Pigment mit Brechungsindex n1 in einem Medium mit Brechungsindex n2 (z.B. TiO2-Rutil in einem Alkyd-Melaminsystem) hängt das Lichtstreuvermögen von dem mittleren Durchmesser der Pigmente ab.


Raman Effekt

Die Raman-Streuung ist ein unelastischer Mechanismus, bei dem die Frequenz der gestreuten Strahlung durch den Gewinn oder Verlust von Energie verändert wird.

Wenn Photonen von einem Atom oder Molekül gestreut werden, sind die meisten von ihnen elastisch gestreut (Rayleigh-Streuung), so dass die gestreuten Photonen die gleiche Energie (Frequenz und Wellenlänge) wie die einfallenden Photonen haben. Ein kleiner Teil der gestreuten Photonen (ca. 1 in 10 Millionen) wird unelastisch durch eine Anregung gestreut, wobei die gestreuten Photonen anschließend eine andere Frequenz und Energie haben (in der Regel niedriger).

Anwednung: Das Verfahren wird für viele Formen der diagnostischen Analyse eingesetzt (Raman-Spektroskopie). Die Raman-Streuung ist sehr schwach und es bedarf entsprechender Sorgfalt, um das Raman-Signal aus dem Rayleigh-Signal zu extrahieren, besonders bei kleinen Frequenzverschiebungen.

Thompson

Die Thompson-Streuung ist ein elastischer Streumechanismus, bei dem das Licht von geladenen Teilchen (z.B. Elektronen, Ionen) gestreut wird.

Die Thomson-Streuung ist dabei der Grenzfall der Compton-Streuung für kleine Photonenenergien, bei dem die Ruheenergie des Teilchens in etwa der Energie des Photons entspricht. Beide Streuungen beschreiben das gleiche Phänomen und beruhen auf einem elastischen Stoß.

Compton Effekt

Als Compton-Streuung (unelastisch) wird die Streuung eines Photons durch ein geladenes Teilchen bezeichnet. Sie führt zu einer Abnahme der Energie (Zunahme der Wellenlänge) des Photons (z.B. Röntgen- oder Gammastrahlung), dem sogenannten Compton-Effekt. Ein Teil der Energie des Photons wird auf das Elektron übertragen.
Inverse Compton-Streuung tritt auf, wenn ein geladenes Teilchen einen Teil seiner Energie auf ein Photon überträgt.

Diese Compton-Streuung ist ein wichtiger Ionisationsprozess und der dominierende Wechselwirkungsprozess energiereicher Strahlung (100 keV bis 10 MeV) mit Materie.
Sie ist auch der Hauptdämpfungsmechanismus von Röntgenstrahlen, der den Kontrast in medizinischen Röntgenaufnahmen ermöglicht.