Streuung (Physik)

• Thomson-Streuung: elastische Streuung an quasifreien Elektronen (Grenzfall der Compton-Streuung für kleine Photonenenergien).
• Compton-Streuung: elastische Streuung an quasifreien Elektronen.
• Licht-Licht-Streuung: Effekt, der nur im Rahmen der Quantenelektrodynamik erklärt werden kann.

• 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), führt zum Tyndall-Effekt
• Phonon-Raman-Streuung: unelastische Streuung an optischen Phononen (Gitterschwingungen im Frequenzbereich des sichtbaren Lichts)
• Brillouin-Streuung: unelastische Streuung an akustischen Phononen (Gitterschwingungen im Frequenzbereich von Schall).

Als Thomson-Streuung bezeichnet man die kohärente Wechselwirkung mit einem (quasi) freien Elektron. Dabei ändert sich die Energie des gestreuten Photons allerdings nicht.

Als Compton-Streuung wird der inkohärente Prozess bezeichnet, bei dem ein Photon an einem freien oder nur schwach gebundenen Elektron gestreut wird ${\displaystyle E_{\text{Bindung}}\ll E_{h\nu }}$. Bei Streuung am Elektron eines Atoms wird dieses durch diesen Prozess ionisiert und es werden ein Photoelektron sowie ein Photon mit winkelabhängig verringerter Energie emittiert. Diese Streuung wird als elastisch bezeichnet, da der Einfluss der Bindungsenergie vernachlässigt werden kann und so die Summe der kinetischen Energien vor und nach dem Stoß identisch ist. Für einen inelastischen Vorgang bezüglich des Elektrons, müsste kinetische Energie auch in innere Energie umgewandelt werden, wobei innere Freiheitsgrade angeregt werden, über die ein Elektron aber nicht verfügt.

Der Streuprozess ist kohärent, also die Kohärenz erhaltend. Die Energie ${\displaystyle E=h\nu }$ (h ist das Plancksche Wirkungsquantum, ${\displaystyle \nu }$ die Frequenz) des eingestrahlten Photons ist zu klein, um das Atom anzuregen. Die Streuung findet an gebundenen Elektronen statt, wobei sich die Energie des gestreuten Photons nicht ändert. Im klassischen Grenzfall, das heißt einer großen Wellenlänge des Photons gegenüber dem Bohrradius des Atoms, spricht man von Rayleigh-Streuung. Besonderes Kennzeichen ist, dass der Streuquerschnitt σ sehr stark von der Frequenz abhängt und proportional zu ${\displaystyle \nu ^{4}}$ ansteigt. Eine doppelt so große Frequenz wird um das 2⁴-fache (= 16-fache) mehr gestreut, dies ist die Ursache für das Himmelblau und das Abendrot.

Bei der an sich inelastischen Raman-Streuung beobachtet man eine Abweichung der Energie des gestreuten Lichtquants und der Energie ${\displaystyle E=h\nu }$ des einfallenden Lichtquants. Die Energiedifferenz beträgt gerade die Anregungsenergie ${\displaystyle \Delta E}$ einer Rotation oder Schwingung des Moleküls (beim Raman-Effekt 1. Ordnung). Diese Energiedifferenz wird an das Atom abgegeben oder wird vom Photon aufgenommen. Die Energie des gestreuten Photons beträgt dann ${\displaystyle h\nu -\Delta E}$ (Energieabgabe an das Molekül) bzw. ${\displaystyle h\nu +\Delta E}$ (Energieaufnahme vom Lichtquant).

Entspricht die Energie eines eintreffenden Photons genau der Differenz zweier diskreter Energieniveaus ${\displaystyle \Delta E}$, so wird das Photon vom Atom absorbiert (man spricht auch von Resonanzabsorption). Das Atom befindet sich darauf in einem angeregten Zustand, der über verschiedene Kanäle zerfallen kann. Folgt innerhalb kurzer Zeit die Emission eines Lichtquants ähnlicher Frequenz, so spricht man von Fluoreszenz. Die Energie des Fluoreszenzphotons kann durch nicht-strahlende Relaxationsvorgänge im Atom niedriger als die eingestrahlte Energie sein. Die Lebensdauer des (der) angeregten Zustandes (Zustände) beträgt typischerweise einige Nanosekunden (siehe Fluoreszenzlebensdauer). Ist die Verweildauer deutlich länger als einige Nanosekunden, so spricht man von Phosphoreszenz (oft sind Phosphoreszenzübergänge Spin-verbotene Übergänge). Man beachte, dass in beiden Fällen das emittierte und absorbierte Photon keine feste Phasenbeziehung aufweisen, es handelt sich also um einen inkohärenten Streuvorgang.

Stimulierte Emission

Bei der stimulierten Emission wird ein vorhandenes angeregtes Atom durch ein mit passender Energie eingestrahltes Photon zur Emission eines zweiten, kohärenten Photons angeregt.

Photoeffekt

Ein Absorptionsvorgang, bei dem ein Elektron die volle Energie des Photons übernimmt, wird als Photoelektrischer Effekt bezeichnet. Dafür ist eine gewisse Bindungsfestigkeit des Elektrons aus Gründen der Kinematik notwendig; deshalb ist der Wirkungsquerschnitt für den Photoeffekt am größten in der innersten Schale (K-Schale) schwerer Atome.

Dieses ist eigentlich kein Streuprozess, sondern eher ein Absorptionsprozess, da danach kein gestreutes Photon mehr existiert. In der Photoelektronenspektroskopie betrachtet man die ausgelösten Photoelektronen, wobei man unter anderem die Anregung mit UV- bzw. Röntgenstrahlung (UPS bzw. XPS) unterscheidet.