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:
Wenn es Neuigkeiten gibt, geht es hier weiter…
