Was ist elektromagnetische Streuung?

Elektromagnetische Streuung ist der physikalische Effekt einer elektromagnetischen Welle wie Licht oder Radiowellen, die auf ein Objekt trifft. Anstatt in einer geraden Linie zu verlaufen, wie es Lichtwellen ungehindert tun, wird das Licht von mikroskopischen Texturen im Objekt gebrochen oder reflektiert. Elektromagnetische Streuung ist häufig für das Erscheinungsbild der Farbe verantwortlich und weist mehrere unterschiedliche Formen auf.

Bei ausreichendem Wissen über die streuenden Partikel und Wellen ist eine Vorhersage der Lichtstreuung möglich. Der Prozess kann auch umgekehrt ablaufen, da die wissenschaftliche Beobachtung der Streuung Informationen über die einfallende Welle und die Partikel liefern kann, die sie streuen. Die Untersuchung der Streuung hat zu wichtigen Fortschritten in verschiedenen Bereichen geführt, einschließlich computergenerierter Bilder, Radar und Medizintechnik.

Warum der Himmel blau ist, ist eine beliebte Frage, die durch elektromagnetische Streuung erklärt werden kann. Die Rayleigh-Streuung basiert auf den Experimenten eines englischen Wissenschaftlers des frühen 20. Jahrhunderts, John Strutt, dem dritten Baron von Rayleigh. Seine Arbeit beschäftigte sich mit den Streueffekten von Lichtwellen auf Partikel, die kleiner sind als die einfallenden Wellen. Da Blau eine kurze Wellenlänge hat, ist es besonders anfällig für Streuung, da es von Gaspartikeln der die Erde umgebenden Luft abprallt. Rot-, Gelb- und Orangetöne sind viel längere Wellenlängen, weshalb sie nur am Himmel sichtbar sind, wenn sie in die Nähe oder in die Sonne schauen.

Aufgrund der geringen Größe der Streupartikel bei der Rayleigh-Streuung wird die Form der Partikel nicht als signifikant angesehen. Für größere Streuzentren gilt die nach dem deutschen Physiker Gustav Mie benannte Mie-Theorie der elektromagnetischen Streuung. Mie stellte fest, dass Änderungen in Farbe und Opazität von der Größe und Form des Streuzentrums abhängen. Seine Arbeit wird als besonders nützlich angesehen, um die elektromagnetische Streuung durch Nebel oder Wolken zu verstehen.

Sowohl Rayleighs als auch Mies Lösungen gelten als elastisch, was bedeutet, dass die Streuung von Wellen ihre Energie nicht wesentlich schwächt. Es gibt auch mehrere andere Formen, die sich mit Energieverschiebungen aufgrund elektromagnetischer Streuung befassen, einschließlich Brillouin-, Raman- und Compton-Streuung. Die Compton-Streuung wird als besonders bedeutend angesehen, da sie zeigt, dass Licht sowohl die Eigenschaften einer Welle als auch eines Partikelstroms haben kann. Inelastische elektromagnetische Streuung wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt, einschließlich Astrophysik, Röntgentechnologie und bei der Messung der elastischen Reaktion von lebendem Gewebe.

Elektromagnetische Streuung ist ein einfaches Konzept, das in alltäglichen Situationen sichtbar ist. Die wissenschaftliche Untersuchung der Streuung ist äußerst komplex, und selbst die verschiedenen oben aufgeführten Lösungen erklären die Auswirkungen und Ergebnisse aller Streusituationen nicht vollständig. Was entdeckt wurde, hat zu einer enormen wissenschaftlichen Innovation bei den Bildtechniken geführt und uns endlich genau erklären lassen, warum der Himmel blau ist.