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:
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 (Bild
1) 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 (Bild
1). 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 (Bild 1). 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.
Bei sehr niedrigem Sonnenstand kann man häufig
eine intensive Rotfärbung des Himmels beobachten, das Morgenrot
bzw. das Abendrot (Bild 3). Die
Ursache dafür ist folgende: Bei niedrigem Sonnenstand muss das Licht
der Sonne, um bis zu uns zu gelangen, eine viel größere Strecke
durch die Atmosphäre zurücklegen als bei hohem Sonnenstand.
Die vom Licht durchquerte Luftschicht ist bis zu 30-mal größer.
Aufgrund der stärkeren Streuung des blauen Lichtes an den Gasteilchen
auf diesem langen Weg gelangt nur noch wenig blaues und viel rotes Licht
zu uns. Das blaue Licht wird durch die intensive Streuung regelrecht herausgefiltert.
Die Sonne erscheint rötlich. Die Streuung an den Aerosolen, bei der
rotes Licht rot bleibt, bewirkt die rötliche Färbung des Lichtes
in der Sonnenumgebung.
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:
- 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:
- Ein Teil des Lichtes geht durch den Stoff hindurch.
Man spricht von Transmission und kennzeichnet diesen Anteil durch den
Transmissionsgrad d:
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.