Streuung elektromagnetischer Wellen

Trifft eine elektromagnetische Welle auf ein Objekt, induziert sie oszillierende Ladungen, die re-emittieren und die Welle in neue Richtungen streuen.

Definition

Elektromagnetische Streuung ist der Prozess, bei dem eine einfallende Welle oszillierende Ladungen und Ströme in einem Objekt induziert, die die Welle in andere Richtungen re-emittieren, charakterisiert durch Querschnitte und Winkelverteilungen, die von der Größe des Objekts relativ zur Wellenlänge und seinen elektromagnetischen Eigenschaften abhängen.

Scope

Dieses Thema behandelt die Streuung elektromagnetischer Wellen durch Partikel und Hindernisse: die Streu- und Absorptionsquerschnitte, die Rayleigh-Streuung durch Partikel, die viel kleiner als die Wellenlänge sind, die Mie-Streuung durch Partikel, die mit der Wellenlänge vergleichbar sind, das optische Theorem und die Abhängigkeit der Streuung von Größe, Form und Brechungsindex. Es verknüpft einfallende Wellen mit der von induzierten Strömen re-emittierten Strahlung.

Core questions

• Wie re-emittiert ein Objekt eine einfallende elektromagnetische Welle?
• Warum bevorzugt die Rayleigh-Streuung kurze Wellenlängen?
• Wie ändert sich die Streuung, wenn die Partikelgröße sich der Wellenlänge nähert?

Key concepts

• Streuquerschnitt
• Absorptionsquerschnitt
• Rayleigh-Streuung
• Mie-Streuung
• optisches Theorem
• induzierter Dipol
• differentieller Querschnitt

Key theories

Rayleigh-Streuung

Für Partikel, die viel kleiner als die Wellenlänge sind, re-emittiert der induzierte Dipol mit einer Intensität, die proportional zur vierten Potenz der inversen Wellenlänge ist, was die blaue Farbe des Himmels erklärt.

Mie-Streuung

Für Partikel, die mit der Wellenlänge vergleichbar sind, liefert die vollständige Lösung der Maxwell-Gleichungen für eine Kugel die Mie-Reihe mit komplexen Winkelmustern und Resonanzen, die von Größe und Brechungsindex abhängen.

Clinical relevance

Die Streutheorie erklärt die Farbe und Polarisation des Himmels, die atmosphärische Fernerkundung und Lidar, Radarquerschnitte, die Lichtstreuung zur Größenbestimmung von Partikeln und zur Untersuchung von Aerosolen und Kolloiden sowie optische Diagnostika in biologischem Gewebe.

History

Rayleigh erklärte in den 1870er Jahren den blauen Himmel durch Streuung an kleinen Partikeln. Lorenz und, unabhängig davon, Mie lösten 1908 die Streuung an einer Kugel beliebiger Größe und schufen damit den Rahmen, der heute für die Aerosol-, Kolloid- und Atmosphärenoptik von zentraler Bedeutung ist.

Key figures

• John William Strutt (Lord Rayleigh)
• Gustav Mie
• Ludvig Lorenz

Seminal works

• mie1908
• bohren1983

Frequently asked questions

Warum ist der Himmel blau?

Luftmoleküle streuen Sonnenlicht durch Rayleigh-Streuung, die für kurze (blaue) Wellenlängen viel stärker ist als für lange (rote) Wellenlängen, sodass das von überall am Himmel zu uns gelangende Streulicht überwiegend blau ist.

Was ist der Unterschied zwischen Rayleigh- und Mie-Streuung?

Die Rayleigh-Streuung gilt für Partikel, die viel kleiner als die Wellenlänge sind und hängt stark von der Wellenlänge ab, während die Mie-Streuung für Partikel gilt, die mit der Wellenlänge vergleichbar sind, und komplexere, weniger wellenlängenempfindliche Muster erzeugt, wie bei Wassertröpfchen in Wolken.