Streuung von Licht

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Streeung von Licht

Unsere Luft besteht fast vollständig aus Sauerstoff- (78%) und Stickstoffmolekülen (21%).Hinzu kommt Wasserdampf, der aber unregelmäßig auftritt (Wolken). Das Problem der Himmelsfarbe lässt sich auf Streuung von der Sonne kommenden Elektromangnetische Strahlung an Sauerstoff 02, Stickstoff N_{2} und Wasserdampf H20 Teilchen zusammenfassen.

Es sind drei unterschiedliche Streu-Effekte zu unterscheiden.

  • Raylight-Streuung (Teilchen << Wellenlänge)
  • My Streuung (Teilchen > Wellenlänge)

Raylight-Streuung

Kurzerklärung

Elektronmangentisches Strahlung bewegt sich ungefähr mit Lichtgeschwindigkeit fort, bis es absorbiert oder refelektiert wird. Wenn diese Strahlung auf Objekte treffen, die klein sind im Gegensatz zur Wellenlänge sind, werden diese gestreut. Dieses Streuung d.h. in andere Richtungen abgelenkt. ist sehr stark abhängig von der Wellenlänge. Je kleiner die Wellenlänge desto stärker ist die Streuung.

Vertiefung

Wir können uns die Luftteilchen als positiven Massepunkt und als negative Ladungswolke drumherum vorstellen. Diese Teilchen haben keine eine Größe von kleiner als Nanometer und damit einige tausend mal kleiner als die Wellenlänge von sichtbaren Licht. Sobald die beiden Ladungen auseinander gezogen oder zusammengedrückt werden, entsteht ein Elektrischer Dipol. Der Kern kann aufgrund seiner großen Masse als star angenommen werden. Eine elektrisches Feld kann die positiven und negativen aus dem Gleichgewicht bringen und eine Schwingung mit der Frequenz des Feldes erzeugen. Die Auslenkung erzeugt ein Dipolmoment = x*q und Dipolmoment = Feldstärke * Polarisierbarkeit. Die Polarisierbarkeit ist eine Molekulare Größe die nur wenig von der Frequenz abhängt. Das Schwingende Molekül kann jetzt als Sender angenommen werden. Es sendet also wieder Elektromangentische Strahlung der selben Wellenlänge aus. Leistung = Dipolmoment ^2 = Schwingungsfrequent ^4. Optimal für den Sender wäre eine Größe gleich der Wellenlänge. Je näher die Wellenlänge an der Sendergröße liegt, je größer ist die Abstrahlung. Das kurzwellige Licht wird stärker gestreut als das langwellige, und zwar umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge. Licht der Wellenlänge 450 nm (blau) wird über viermal mehr gestreut als rotes mit der Wellenlänge 650 nm. Die Abstrahlung erfolgt in alle Raumrichtungen der Kugeln gleichmäßig. Wenn dieser Prozess nur einmal pro Lichtstrahl stattfindet ist das am häufigste ankommende Licht auf der Erde Blau. Falls aber das Blaue Licht mehrfach im Himmel gestreut wird, wird das Blaue Licht schwächer und vermischt sich mit anderen Farben. Das ist der Grund wieso der Himmel am Zenit oft kräftig blau ist und zum Horizont eher weißlicher wird. Für kleine Wassertropfen wie sie in der Luft häufig vorkommen gilt das selbe Modell wie für Moleküle.

Mie-Streuung

Bei größeren Teilchen, wie zum Beispiel Nebel oder Wolken kann die Rayleigh Streuung vernachlässigt werden, die Moleküle können als Makroskopische Cluster angesehen werden. Die Strahlung wird nun durch die Mie-Streuung geschrieben. Die Mie-Streuung ist unabhängig von der Wellenlänge, wobei das Ergebniss die Farbe des Sonnenlicht haben wird, also Weiß. Die Streuungenwahrscheinlichkeit ist ebendfalls sehr viel stärker. Das ist der Grund wieso durch Neben oder Wolken nicht hindurch gesehen werden kann.

Kontrollfragen

Quellen und Weiterführende Links


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