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Streulicht

In einem optisch homogenen Medium (Brechungsindex und Absorption konstant) bewegt sich das Licht geradlinig fort. Streng genommen ist dies nur im Vakuum der Fall. Jede Änderung der optischen Eigenschaften durch ein Hindernis lenkt den Lichtstrahl von seiner Bahn ab. Diesen physikalischen Prozess nennt man Streuung von Licht an Teilchen. Lichtstreuung ist die Ursache für das Phänomen Trübung

Lichtausbreitung in homogenem Medium (A) und bei Gegenwart eines Hindernisses (B).
Abb. 45: Lichtausbreitung in homogenem Medium (A) und bei Gegenwart eines Hindernisses (B)

Sie beschränkt sich jedoch nicht auf die von Auge oder im Mikroskop sichtbaren Teilchen. Selbst in reiner Luft oder reinem Wasser wird das Licht an den Molekülen gestreut. Diese Molekularstreuung ist zwar extrem klein, aber nicht vernachlässigbar: das Blau des Himmels beispielsweise ist eine Folge der Streuung des Sonnenlichts an den Molekülen der Luft.

Die Prozesse, welche sich bei der Streuung abspielen, sind erstens die Beugung und zweitens die Anregung von Strahlung. Beugung beruht auf der Wellennatur des Lichts: passiert eine Welle ein Hindernis in unmittelbarer Nähe, so wird sie von ihrer Richtung abgelenkt. Der Ablenkwinkel ist vom Verhältnis aus Wellenlänge und Grösse des Hindernisses abhängig. Anregung von Strahlung beruht darauf, dass die Atome angeregt werden, das eingestrahlte Licht wieder abzustrahlen. Je nach Art und Beschaffenheit des Partikels wird dieses Licht gemäss den Gesetzen der Lichtbrechung, der Reflexion oder der Dipolstrahlung in verschiedene Richtungen emittiert (die Reflexion eines Spiegels ist ein Spezialfall davon).

Die Kriterien, welche die Intensität des Streulichts beeinflussen, sind in Abbildung 46 dargestellt:

Streuung von Licht an einem kugelförmigen Teilchen
Abb. 46: Streuung von Licht an einem kugelförmigen Teilchen

Der einfallende Lichtstrahl mit der Intensität Iin und der Wellenlänge λ treffe auf ein kugelförmiges Teilchen. Die Intensität Isc des Streulichts ist eine Funktion des Streuwinkels, der Korngrösse, der Wellenlänge und der optischen Eigenschaften des Teilchens und des Mediums. Man kann also symbolisch schreiben:

$I_{\text{sc}} = I_{\text{sc}} \left( \theta, \lambda, d, n \right)$

wobei Θ den Streuwinkel, d den Partikeldurchmesser, λ die Wellenlänge und n den Brechungsindex relativ zum Medium bezeichnet.

Die explizite Formulierung dieser Gleichung ist Gegenstand der Streutheorie. Die allgemeine Lösung für beliebige Werte der Parameter liefert bei kugelförmigen Partikeln die Mie-Theorie. Die Rayleigh-Theorie (Ray­leigh-Streuung) ist als Spezialfall für sehr kleine Teilchen (<0.05 µm) in dieser enthalten. Die Gleichung hat eine komplexe mathematische Struktur.

Eine praktische Anwendung der Streulichtmessung ist die Bestimmung des Trübungswerts, der Angaben über den Gehalt an Feststoffen in flüssigen und gasförmigen Medien liefert.

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