Streuung und Absorption von Licht

Die Streuung von Licht

Beim Durchgang von Licht durch Stoffe kommt es zu Wechselwirkungen des Lichtes mit den Atomen und Molekülen des betreffenden Stoffes sowie mit sonstigen Partikeln, die in diesem Stoff als Bestandteile oder Verunreinigungen befinden. Die Erscheinung, dass dabei ein Teil des Lichtes aus seiner geradlinigen Bahn abgelenkt wird, nennt man Streuung des Lichtes. Gut beobachten kann man diese Streuung, wenn man in ein Gefäß mit Wasser einige Tropfen Milch gibt und dieses Wasser-Milch-Gemisch mit weißem Licht bestrahlt (Bild 2). Quer zur Beleuchtungsrichtung beobachtet man eine Blaufärbung der Flüssigkeit. Blickt man entgegen der Beleuchtungsrichtung auf das Gefäß, dann erscheint es rötlich gefärbt. Die Ursache dafür ist: Bei Durchgang des Lichtes durch die Flüssigkeit kommt es zur Streuung. Dabei wird das blaue Licht stärker gestreut als das rote Licht. Demzufolge erscheint die Flüssigkeit von der Seite aus betrachtet bläulich (es dominiert der intensiver gestreute blaue Anteil des weißen Lichtes), entgegen der Beleuchtungsrichtung rötlich (es dominiert das nicht so stark gestreute und damit stärker hindurchgehende rote Licht). Genauer wurde dieser Erscheinung der Streuung an kleinsten Teilchen (Atomen, Molekülen) von dem englischen Physiker JOHN WILLIAM STRUTT (1842-1919) untersucht, der 1873 geadelt wurde und sich dann LORD RAYLEIGH nennen durfte. Er erkannte um 1870, dass die Intensität des an kleinsten Teilchen (Atomen, Molekülen) gestreuten Lichtes von der Wellenlänge abhängig ist. Kurzwelliges (blaues) Licht wird wesentlich stärker gestreut als langwelliges (rotes) Licht. Es gilt für die Intensität des gestreuten Lichtes die Beziehung:
$I\sim \frac{1}{{\lambda }^4}\text{, wobei}\lambda \text{die Wellenlänge des Lichtes ist}\text{.}$
Diese Streuung wird mitunter auch als rayleighsche Streuung bezeichnet.
Weißes Licht besteht aus Licht aller möglicher Wellenlängen. Da sich die Wellenlängen von rotem (langwelligem) und blauem (kurzwelligen) Licht etwa wie 2:1 verhalten, bedeutet das für die Intensität des gestreuten weißen Lichtes: Die Intensität des gestreuten blauen Lichtes ist etwa 16-mal so groß wie die Intensität des gestreuten roten Lichtes. Darüber hinaus ist das gestreute Licht teilweise polarisiert, wobei ein Maximum der Polarisation bei trüben Medien bei einem Winkel von etwa 90° zur Strahlrichtung auftritt.

Farben des Himmels

Je nach Tageszeit und Bewölkung kann der Himmel sehr unterschiedliche Farben haben. Charakteristisch sind das Blau des wolkenlosen Himmels sowie das bei niedrigem Sonnenstand auftretende Morgenrot und Abendrot.
Das Blau des Himmels ist eine Folge der Streuung von Sonnenlicht in der Erdatmosphäre. Das Licht, das von der Sonne zu uns gelangt, trifft zunächst auf die Lufthülle der Erde, die Atmosphäre. Beim Durchgang durch die Atmosphäre wird ein Teil des Lichtes an den dort befindlichen Gasteilchen (Atomen, Molekülen) gestreut. Dabei ist die Intensität des gestreuten kurzwelligen Anteils (blaues Licht) wesentlich größer als die Intensität des gestreuten langwelligen Anteils (rotes Licht). Da bei höherem Sonnenstand der Weg des Lichtes durch die Atmosphäre relativ kurz und die Intensität des gestreuten blauen Lichtes groß ist, überwiegt das blaue Licht. Der Himmel erscheint uns blau. Hobbyfotografen sollten beachten: Da das Himmelslicht auch noch teilweise polarisiert ist, kann man mithilfe eines Polarisationsfilters auf Dias oder Fotos einen noch intensiveren blauen Himmel erhalten als den, welchen wir mit unseren Augen wahrnehmen können. Das gilt besonders für den Teil des Himmels, der der Sonne gegenüberliegt.
Schaut man sich einen wolkenlosen Himmel genauer an, dann sieht man, dass die blaue Farbe nicht überall gleich intensiv ist. Insbesondere erscheint das Blau in Horizontnähe wesentlich heller. Die Ursache dafür ist, dass es in der erdbodennahen Luftschicht neben den sehr kleinen Gasteilchen auch größere Teilchen, die Aerosole , gibt. Das sind u. a. Staubteilchen, Rauch, kleine Tröpfchen, Pollen oder auch Bakterien. Auch an solchen Teilchen wird das Licht gestreut. Der deutsche Physiker ADOLF MIE (1868-1957) stellte zu Beginn des 20. Jahrhunderts fest, dass die Streuung von Licht an solchen „größeren“ Teilchen nahezu unabhängig von der Wellenlänge ist. Gestreutes weißes Sonnenlicht bleibt weiß (miesche Streuung). Es überlagert sich jedoch mit dem Blau des an den Atomen und Molekülen der Luft gestreuten Lichtes. Da die Konzentration der Aerosole in Erdbodennähe wesentlich größer ist als in der Höhe, kann man das weißliche Blau vor allem in Horizontnähe beobachten.

Die Absorption von Licht

Trifft Licht auf einen Stoff, so treten folgende Effekte auf (Bild 4):

- Ein Teil des Lichtes wird reflektiert. dieser Anteil kann durch den Reflexionsgrad r gekennzeichnet werden:
$r=\frac{\text{reflektierte Strahlungsintensität}{I}_{\text{r}}}{\text{auftreffende Strahlungsintensität}I}$

- Ein Teil des Lichtes wird absorbiert, damit also auch die Energie vom betreffenden Stoff aufgenommen. Quantitativ lässt sich der absorbierte Teil durch den Absorptionsgrad a erfassen:
$a=\frac{\text{absorbierte Strahlungsintensität}{I}_{\text{a}}}{\text{auftreffende Strahlungsintensität}I}$

- Ein Teil des Lichtes geht durch den Stoff hindurch. Man spricht von Transmission und kennzeichnet diesen Anteil durch den Transmissionsgrad d:
$d=\frac{\text{hindurchtretende Strahlungsintensität}{I}_{\text{d}}}{\text{auftreffende Strahlungsintensität}I}$

Der Reflexionsgrad hängt von der Oberflächenbeschaffenheit ab. Absorptionsgrad und Transmissionsgrad werden durch die Art des Stoffes und seine Dicke bestimmt. Je dicker eine Schicht aus einem bestimmten Stoff ist, umso mehr Licht wird absorbiert.
Nach dem Energieerhaltungssatz geht keine Energie verloren. Betrachtet man Licht als Energiestrom, dann gilt, dass die gesamte auffallende Strahlung gleich der Summe aus reflektierter, absorbierter und hindurchgegangener Strahlung sein muss. Das lässt sich mithilfe der drei genannten Größen auch so formulieren:
r + a + d = 1
Eine analoge Beziehung kann man auch mit der Größe Strahlungsleistung formulieren.