Rayleigh-Streuung

Lichtemission entsteht im Atom immer dann, wenn Elektronen von einem höheren energetischen Zustand auf einen niedrigeren „fallen“. Die dabei frei werdende Energie E wird in Form eines Photons (Leichtteilchens) mit der Frequenz f freigesetzt, wobei E = h · f gilt. Größere Elektronensprünge bedingen daher höherfrequentes Licht und vice versa.

Diese Sprünge nach unten erfolgen ganz automatisch, nachdem ein Elektron durch Energiezufuhr in Form von Stößen oder Lichtabsorption hinaufgehoben wurde. Dies kann etwa bei der sog. spontanen Emission unmittelbar binnen Nanosekunden (10^ –9 sek) nach der Anregung erfolgen. Bei der Fluoreszenz springt das Elektron nach der Anregung zunächst auf ein energetisch tiefer gelegenes Niveau, verweilt dort aber auch nur Nanosekunden und springt dann weiter in den Grundzustand. Daher ist die Fluoreszenzstrahlung langwelliger als die Anregungsstrahlung! Bei der sog. Phosphoreszenz verweilt das Elektron in einem Niveau mit verbotenen Übergang verhältnismäßig sehr, sehr lange (bis hin zu Sekunden), um dann dennoch trotz Verbots in den Grundzustand überzugehen.

Die sog. Rayleigh-Streuung ist etwas anderes. Während bei der Absorption die zugeführte Energie genau für einen Sprung von unten auf ein reales, höhergelegenes Niveau passen muss, ist dies bei der Streuung nicht der Fall. Hier muss also die Energie des absorpierten Lichts nicht gleich einer Energiedifferenz im Termschema des Atoms entsprechen. Eine normale Adsorption benötigt also immer eine völlige Übereinstimmung zwischen Anregungsenergie und Energieabstand zweier Elektronenzustände. Bei der Rayleigh-Streung ist dies nicht der Fall, deshalb handelt es sich bei der Streuung auch nicht um eine Absorption!

Rayleigh-Streuung kommt vor, wenn Licht auf Teilchen trifft, welche um ein Vielfaches kleiner als die Lichtwellenlänge (ca. 400 – 700 nm) sind. Dazu zählen eben unter anderem Atome oder Moleküle. Die Rayleigh-Streuung ist sehr stark von der Wellenlänge λ abhängig und zwar besitzt die gestreute Intensität bei der Rayleigh-Streuung eine 1/λ^ 4–Abhängigkeit! Licht mit doppelter Wellenlänge wird also 16-mal schwächer gestreut. Genau aus diesem Grund erscheint der Himmel blau bzw. kommt es zum sog. Morgen- bzw. Abendrot.

Das weiße Sonnenlicht trifft auf die Atome der Erdatmosphäre und wird an diesen gestreut und zwar Blau viel, viel stärker als Rot. Deshalb wird rotes Licht weitaus weniger abgelenkt im Vergleich zu Blau und blaues Licht gelangt daher viel häufiger ins Auge des Beobachters. Der Himmel erscheint dadurch Blau.

Steht die Sonne sehr tief, so legen die Lichtstrahlen eine sehr weite Strecke durch die Erdatmosphäre zurück. Das blaue Licht wird so stark gestreut, dass es fast kein Blau mehr bis zum Beobachter schafft. Es bleibt stattdessen nur das weitaus weniger gestreute rote Licht übrig und der Himmel färbt sich am Morgen bzw. am Abend wunderschön rot.

Bei einer Mondfinsternis gelangt auf diese Art fast nur noch rotes Licht über die Erdatmosphäre bis zum angedunkelten Mond, welcher dann rötlich erscheint (sog. Blutmond).

Die sog. Mie-Streuung verhält sich anders als die Rayleigh-Streuung. Sie kommt vor, wenn Licht auf Teilchen trifft, deren Größe im Bereich der Lichtwellenlänge liegt. Dies können zum Beispiel winzige Wassertropfen in einer Wolke sein. Anders als bei der Rayleigh-Streuung zeigt die Mie-Streuung eine weitaus geringere Wellenlängenabhängigkeit, sprich rotes und blaues Licht werden bei der Miestreuung in etwa gleich stark gestreut. Dadurch gelangt an der Wolke gestreutes rotes UND blaues Licht bis zum Beobachter und dieser sieht eine weiße Wolke.

Hier habe ich ein Experiment zur Mie-Streuung & Arduino durchgeführt: https://stoppi-homemade-physics.de/mie-streuung/

In all meinen Artikeln dreht es sich primär um Experimente zur jeweiligen Theorie, so auch hier. Für dieses einfache Experiment zur Rayleigh-Streuung wird nur ein Opalith-Mineral benötigt, welcher zum Beispiel auf Amazon für nicht einmal 15 Euro erhältlich ist:

Der Stein, welcher an einen Opal erinnert, ist wunderschön:

Bleuchtet man ihn mit einer starken, weißen Taschenlampe, so kommt es eben zur Rayleigh-Streuung. Gleich nach Eintritt des Lichtkegels wird das blaue Licht massiv zur Seite gestreut. In diesem Bereich erscheint der Stein bläulich. Je weiter das Licht in den Opalith eindringt, desto weniger Blau ist noch vorhanden. Im weiterer Folge bleibt also immer mehr nur noch rotes Licht übrig, welches zwar schwach aber auch auch gestreut wird. Dadurch erscheint der Stein dann zunehmend rötlich:

Leider erfasst die Kamera das übrig gebliebene Rot in dieser Aufnahme nicht ideal. Der helle obige Schimmer ist in natura aber tiefrot, wunderschön…

Hier ein Blick in Richtung Balkon:

Hält man den Opalith vor die Kamera, so kommt durch die stark wellenlängenabhängige Rayleigh-Streuung nahezu nur noch rotes Licht bis zum Sensor:

Der Kauf des Minerals hat sich vollends ausbezahlt, Heureka 😉

 

Es gibt noch ein weiteres einfaches Experiment zu diesem Thema. Man benötigt

  • ein längliches Glasgefäß
  • eine starke, weiße Taschenlampe
  • Wasser
  • Milch

Man füllt das längliche Glasgefäß mit Wasser und gibt dann ein wenig Milch hinein. Es ensteht eine leicht trübe, eben milchige Mischung. Strahlt man nun mit der starken Taschenlampe auf einer Seite in das Gefäß, so sollte von der Seite betrachtet das Milchwasser in der Nähe zur Taschenlampe bläulich erscheinen und mit zunehmenden Abstand zur Lichtquelle immer rötlicher:

Für dieses Experiment hatte ich eigentlich alles bereits zu Hause, nur die Milch musste ich extra besorgen. Der Aufbau erfolgte wie so oft am Küchenboden:

Gänzlich ohne Milch erscheint das am Ende wieder heraustretende Licht schön weiß:

Nun mit Milch im Wasser, wobei ich die Bilder ein wenig nachträglich bearbeitet habe, da der Rotstich doch sehr schwach ausfiel:

Aufmerksamen Lesern dürfte aber folgendes aufgefallen sein: Die Rayleighstreuung tritt ja ein, wenn die streuenden Teilchen sehr viel kleiner sind als die Lichtwellenlänge, z.B. Streuung an Atomen oder Molekülen. Dann ist die gestreute Intensität proportional zu 1/λ^ 4. Wenn nun Licht durch ein Milchwasser strahlt, dann sind doch die streuenden Teilchen (Fette) weitaus größer etwa in der Größenordnung der Lichtwellenlänge. Daher müsste doch eigentlich Mie-Streuung vorliegen und die Wellenlängenabhängigkeit der Lichtstreuung müsste nur sehr gering sein. Warum sieht man am Ende des länglichen Gefäßes trotzdem einen Rotstich und seitlich zu Beginn bei Eintritt des Lichtstrahls die Farben Weiß bzw. Blau? Das wäre ja bei der Rayleighstreuung zu erwarten, aber nicht so bei der Miestreuung…

Hier die Antwort: Große Fetttröpfchen in Milch verursachen tatsächlich Mie-Streuung, die kaum wellenlängenabhängig ist, weshalb Milch im Glas ja auch weiß aussieht. Dass der Versuch mit stark verdünntem Milchwasser trotzdem wie Rayleigh-Streuung wirkt, liegt an zwei entscheidenden Effekten:

1. Milch ist eine Polydispersion (Teilchengrößenverteilun):

Milch besteht nicht nur aus riesigen Fettkügelchen, sondern ist ein komplexes Gemisch bestehend aus

  • Kasein-Mizellen: Diese Proteinkomplexe sind winzig  und messen nur ca. 50 bis 300 Nanometer. Sie sind damit deutlich kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts (ca. 400 bis 700 nm).
  • Fetttröpfchen: Diese sind in der Tat deutlich größer (1 bis 10 Mikrometer).

Wenn man nun Milch stark mit Wasser verdünnt, verringert sich die Gesamtdichte der Teilchen. Die winzigen Kasein-Mizellen (und die allerkleinsten Fetttröpfchen) sind zahlenmäßig extrem in der Überzahl. An ihnen findet echte Rayleigh-Streuung (oder zumindest der Übergangsbereich dazu) statt. Das blaue Licht wird deshalb seitlich stark herausgestreut.

2. Der „Überlebenskampf“ des Lichts (effektive Weglänge)

Selbst wenn die Abhängigkeit bei den etwas größeren Teilchen nicht 1/λ^ 4 ist, gilt in der Mie-Theorie für Teilchen im Grenzbereich immer noch: Kürzeres (blaues) Licht wird etwas stärker gestreut als längeres (rotes) Licht!

Über die Länge des Gefäßes summiert sich dieser minimale Unterschied drastisch auf:

  • Auf den ersten Zentimetern reicht eine schwache Wellenlängenabhängigkeit völlig aus, um genügend blaues Licht zur Seite abzulenken. Das Auge nimmt das seitlich austretende Licht als weißlich-blau wahr.
  • Das Licht, das sich weiter geradeaus durch das Gefäß bewegt, verliert kontinuierlich seine Blauanteile.
  • Am Ende des Gefäßes kommt fast nur noch das Licht an, das am wenigsten gestreut wurde – und das ist eben das langwellige rote Licht.

Zusammenfassend: Das Phänomen im Experiment ist eine Mischung aus der Rayleigh-Streuung an den winzigen Kasein-Proteinen der Milch und der kumulierten Filterwirkung über eine lange Strecke.

Nur eine Ergänzung noch: In der Erdatmosphäre wird ja das blaue Licht rund 16-mal stärker gestreut als das rote mit seiner ca. doppelt so großen Wellenlänge. Angenommen, von 1 000 000 eintreffenden Photonen werden auf dem ersten Kilometer 160 000 blaue Photonen (= 16 %) und 10 000 rote (= 1 %) gestreut. Dann würde es zu folgenden Werten kommen:

Nach nur 30 km wäre der Himmel nicht mehr Blau, sondern Tiefrot. Der Farbumschlag Blau-Rot geschieht in Echt erst viel viel später. Daher sind die angenommenen Streuraten (16 % bzw. 1 % pro Kilometer) deutlich zu groß und in Wirklichkeit werden viel geringere Prozentsätze gestreut, aber eben weiterhin mit dem 16-fachen Verhältnis! Die allermeisten Photonen, auch die blauen, können nahezu ungehindert ohne Streuung die Erdatmosphäre durchdringen…

 

Anstelle von Milch kann man auch Natriumthiosulfat + Schwefelsäure nehmen, dies sollte dann einen deutlich verstärkten Effekt bewirken. Hier die Anleitung:

Das Natriumthiosulfat habe ich natürlich gleich bestellt, auf Amazon gibt es folgendes Angebot:

15 %ige Schwefelsäure hatte ich bereits von einem anderen Physikprojekt zuhause:

Wenn es Neuigkeiten gibt, geht es hier weiter…