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3 Streulichtmethoden
Die einfachste Form der Wechselwirkung von Licht mit Materie ist die Streuung. Die Abbildung
des von Gegenständen gestreuten Lichts im Auge bildet unsere wichtigste Informationsquelle
im Alltag. Auch das Bild das wir von der Mikrowelt und sogar Elementarteilchen
haben beruht zu einem großen Teil auf der Auswertung von Streuprozessen, sei es mit Photonen
sichtbaren Lichts, Röntgenstrahlen, Elektronen, Neutronen oder sonstigen Teilchen. Die
Bedeutung der Lichtstreuung hat mit der Erfindung des Lasers geradezu eine Renaissance
erfahren, steht doch mit dem Laser die nahezu perfekte Lichtquelle zur Verfügung, die es
aufgrund ihrer Schmalbandigkeit und hohen Intensität erlaubt, Prozesse zur Analytik zu benutzen,
die zuvor aufgrund geringer Wirkungsquerschnitte nur von akademischem Interesse
waren. Ein Beispiel hierfür ist die Raman Spektroskopie und die darauf aufbauende Methode
CARS (siehe §3.9).
Elektromagnetische Wellen mit Amplitude E werden durch Frequenz ν oder Kreisfrequenz
ω = 2πν, Wellenlänge λ = c/ν, bzw Wellenvektor � k = ˆ k2π/λ sowie eine Anfangsphase ϕ0
charakterisiert
E(�r, t) = E0(�r) sin(ωt − � k�r − ϕ0) (3.1)
Da Lichtwellen zu den Transversalwellen gehören, steht der Vektor des elektrischen Feldes � E
und somit die Polarisation � P immer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ˆ k des Lichts. Neben
der Energie transportieren Lichtwellen auch Impuls. Letzteres Phänomen ist bekannt unter
dem Begriff Strahlungsdruck. Die entsprechenden Größen im Wellen- und Photonenbild sind
in Tabelle 3.1 zusammengefaßt. Für einen beliebigen Streuprozess müssen Energie und Impuls
erhalten sein. Dies wird durch die folgenden Gleichungen zum Ausdruck gebracht
�ωe = �ωs + ∆E (3.2)
� � ke = � � ks + � � K (3.3)
Die Größen der einfallenden Welle erhalten den Index e und die der gestreuten Welle den
Tabelle 3.1: Charakteristische Größen einer Lichtwelle aus NP Photonen im
Wellen- und Quantenbild [Köpf79]
Energie eines Photons
Wellenbild
–
Quantenbild
Ē = hν = �ω = hc/λ
Impuls eines Photons – p = h/λ = �k = �ω/c
Energiestromdichte S = 1
2 ɛ0cE 2 0
S = ρP chν
Strahlungsleistung P = SA ρP Achν
Impulsstrom p = S/c ρP �k
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