Streuung (Physik)

Unter Streuung versteht man in der Physik allgemein die Ablenkung eines Objekts durch Wechselwirkung mit einem lokalen anderen Objekt (Streuzentrum). Beispiele sind die Streuung von Licht an Atomen oder Feinstaub, oder von Elektronen an anderen Elektronen.

Die Stärke einer Streuung wird durch den so genannten Streuquerschnitt angegeben. Der Name kommt daher, dass der Streuquerschnitt bei klassischer Streuung von Massepunkten an einer harten Kugel gerade gleich dem Querschnitt der Kugel ist.

Man unterscheidet zwischen elastischer und inelastischer Streuung. Bei elastischer Streuung ist die Summe der kinetischen Energien nach den Stoß gleich groß wie vorher, während sie sich bei inelastischen Streuungen ändert.

Die theoretische Beschreibung von Streuungen ist Aufgabe der Streutheorie.

Streuexperimente geben Aufschluss über die Form des Wechselwirkungspotentials. So zeigte Ernest Rutherford anhand der Streuung von Alphateilchen an Atomen, dass die Atome aus einem schweren, positiv geladenen Kern und einer negativ geladenen Atomhülle bestehen. Auch die Experimente der Hochenergiephysik sind ausnahmslos Streuexperimente.

Spezialfälle der Streuung

Elektromagnetische Welle - Elementarteilchen

Thomson-Streuung: elastische elektromagnetische Streuung an (quasi)freien Elektronen.
Compton-Streuung: Wie Thomson-Streuung, aber inelastisch, d.h. mit Übertragung von Energie.

Elektromagnetische Welle - Materie

Rayleigh-Streuung: elastische (keine Energieübertragung) elektromagnetische Streuung an Objekten, die kleiner sind als deren Wellenlänge, auch Dipol-Streuung.
Raman-Streuung: inelastische Streuung an Atomen, Molekülen oder Festkörpern.
Mie-Streuung: Elektromagnetische Streuung an Objekten in der Größenordnung der Wellenlänge, auch Lorenz-Mie-Streuung, benannt nach dem deutschen Physiker Gustav Mie (1868-1957) und dem dänischen Physiker Ludvig Lorenz (1829-1891).

Materie - Materie

(siehe hierzu Kinematik)

Rutherford-Streuung: Alphateilchen an Atomkernen
Neutronenstreuung: Neutron an Atomkernen
Elektronenbeugung: Elektron an Festkörper (Kristallgitter)

Photon-Atom-Wechselwirkungen

Es folgt eine schematische Darstellung zur Wechselwirkung eines Photons mit einem Atom. Die waagerechten Linien repräsentieren die diskreten Anregungszustände des Atoms, die das punktförmig dargestellte Elektron besetzen kann. Die unterste Linie entspricht dem energetischen Grundzustand.

Elastische Streuung (Rayleigh-Streuung)

Die Energie E=hf des eingestrahlten Photons ist zu klein, um das Atom anzuregen. Die Energie des gestreuten Photons ändert sich nicht. Im klassischen Grenzfall, d.h. einer großer Wellenlänge des Photons gegenüber dem Bohrradius des Atoms, spricht man von Rayleigh-Streuung.

fig1_elastische_streuung.png

Inelastische Streuung (Ramanstreuung)

Inelastische Streuung, die häufig auch als Raman-Streuung bezeichnet wird, tritt auf, wenn die Energie E=hf des einfallenden Lichtquants den Energiedifferenzbetrag zu einem höheren Anregungsniveau $\Delta$ E übersteigt. Die Energie des emittierten Photons beträgt im Falle einer inelastischen Streuung: hf'=hf - $\Delta$ E

fig2_inelastische_streuung.png

Resonanzabsorption, spontane Emission, Fluoreszenz und Phosphoreszenz

Entspricht die Energie eines eintreffenden Photons genau der Differenz zweier diskreter Energieniveaus $\Delta$ E, so wird das Photon vom Atom absorbiert. Folgt unmittelbar die Emission eines Lichtquants gleicher Frequenz, so spricht man von Resonanzabsorption. Im Unterschied zur elastischen Streuung sind beide Photonen zueinander phasenverschoben. Kehrt das Atom erst nach einer endlichen Verweildauer im angeregten Zustand (spontan) wieder in den ursprünglichen Zustand zurück, spricht man von spontaner Emission. Erfolgt die Rückkehr in mehreren Stufen, d.h. unter Emission mehrerer Photonen spricht man von Fluoreszenz, bzw. bei sehr langen Lebensdauern der angeregten Zustände von Phosphoreszenz.

fig3_resonanzabsorption.png fig7_fluoreszenz.png

Compton-Streuung und Photoeffekt

Als Compton-Streuung wird der Vorgang bezeichnet, bei der das Atom durch ein einfallendes Photon großer Energie ionisiert und ein Elektron sowie ein Photon der Energie hf' emittiert wird. Der Sonderfall, dass kein Photon emittiert wird, d.h. hf'=0, wird als Photoeffekt bezeichnet.

fig4_compton-streuung.png fig5_photoeffekt.png

Stimulierte Emission

Ein weitere Licht-Materie-Wechselwirkung ist die stimulierte Emission, bei der ein resonant eingestrahltes Photon ein angeregtes Atom zur Emission eines zweiten, kohärenten Lichtquants stimuliert. fig6_stimulierte_emission.png

Anmerkung: Atome können nicht nur durch bei der Wechselwirkung mit Licht sondern auch durch Stöße mit anderen Teilchen (Elektronen, anderen Atomen u.a.) Energiequanten aufnehmen bzw. abgeben (Franck-Hertz-Versuch).

Literatur

Gustav Mie: Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen. Annalen der Physik, Vierte Folge, Band 25, 1908, No. 3, S. 377-445.
Ludvig Lorenz: Lysbevaegelsen i og uden for en af plane Lysbolger belyst Kugle. Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskabs Skrifter, 6. Raekke, 6. Bind, 1890,1, p 1-62.
Ludvig Lorenz: Sur la lumière réfléchie et réfractée par une sphère (surface) transparente. in Œuvres scientifiques de L. Lorenz. revues et annotées par H. Valentiner. Tome Premier, Libraire Lehmann & Stage, Copenhague, 1898, p 403-529.

Siehe auch

Spektroskopie | Wellenlehre | Optik