Mie-Streuung

Als Mie-Streuung oder auch Lorenz-Mie-Streuung (nach den Physikern Gustav Mie und Ludvig Lorenz) bezeichnet man die elastische Streuung elektromagnetischer Wellen an sphärischen Objekten, deren Durchmesser in etwa der Wellenlänge der Strahlung entspricht. Mit der Lorenz-Mie-Theorie lässt sich diese Streuung physikalisch beschreiben.

3D-Darstellung der Mie-Streuung von rotem Licht (633 nm) an einem sphärischen Partikel mit 2 µm Durchmesser. Das Partikel befindet sich in der Mitte bei $x=y=z=0$, das Licht wird von links eingestrahlt. Die unterschiedliche Ausdehnung der Oberfläche entspricht der Intensität der Streuung in diese Richtung (logarithmische Auftragung). Die Intensität des gestreuten Lichtes hängt vom Streuwinkel ab.

Beschreibung

Hof-Bildung beim Vollmond, auch als Korona bezeichnet, verursacht durch klassische geometrische Streuung an kleinen Tropfen.

Der von der Mie-Streuung erzeugte Tyndall-Effekt lässt den Bereich um den Turm herum heller erscheinen. Der scheinbare „Schatten“ entsteht durch ein Fehlen des Effekts innerhalb des Schattenvolumens des Turmes.

Die Mie-Streuung erzeugt den Tyndall-Effekt. Dieser entsteht bei Streuung an Objekten, bei welchen der Partikeldurchmesser etwa der Wellenlänge entspricht.

So bezeichnet man die Streuung an den Molekülen der Luft als Rayleigh-Streuung, die an fallenden Regentropfen und schwebenden Nebeltropfen als klassische Streuung und nur die an emulgierten Fetttröpfchen als Mie-Streuung, obwohl alle Fälle durch die Lorenz-Mie-Theorie exakt beschrieben werden. In der Praxis kann man diese Fälle durch den unterschiedlichen Polarisationsgrad und die Streuverteilung gut voneinander trennen:

Art der Streuung	Abhängigkeit von der Wellenlänge	Polarisation	Streuverteilung
Rayleigh	stark	bei senkrechter Streuung: linear	symmetrisch nach vorn und hinten
Mie	leicht	bei senkrechter Streuung: leicht bis mittel	leicht asymmetrisch bis komplex
klassisch (geometrisch) an kleinen Tröpfchen	schwach	ohne	hauptsächlich vorwärts (sichtbar durch Hof-Bildung), aber auch komplex (durch Variation der Tropfengröße nicht mehr nachweisbar)
klassisch (geometrisch) an großen Tropfen	bei transparentem Material (Tyndall-Effekt):		sehr eng und schwach vorwärts, so dass Hofbildung ausbleibt; zusätzlich bei transparentem Material (Tyndall-Effekt): in großem Winkel
	schwach	schwach

Bedeutung in der Funktechnik

Die Mie-Streuung hat auch in der Funktechnik eine Bedeutung. So kann die Reflexion und der Radarquerschnitt metallischer Körper berechnet werden, deren Umfang in der Größenordnung der Wellenlänge der Funkwellen liegt. Die effektive Rückstrahlfläche einer Metallkugel mit einem Durchmesser eines Drittels der Wellenlänge beträgt knapp das Vierfache dessen, was laut klassischer Streuung zu erwarten wäre. Weitere, kleinere Maxima treten bei ganzzahligen Vielfachen des Umfanges zur Wellenlänge auf.

Literatur

• Gustav Mie: Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen. Annalen der Physik Folge 4, Bd. 25, 1908, S. 377–445, doi:10.1002/andp.19083300302.
• Julius Adams Stratton: Electromagnetic Theory. McGraw-Hill, New York NY 1941.
• Milton Kerker: The scattering of light and other electromagnetic radiation (= Physical Chemistry. Bd. 16, ISSN 0079-1881). Academic Press, New York NY u. a. 1969.
• Hendrik C. van de Hulst: Light scattering by small particles. Unabridged and corrected republication of the work originally published in 1957. Dover, 1981, ISBN 0-486-64228-3.
• Craig F. Bohren, Donald R. Huffman: Absorption and scattering of light by small particles. Wiley, 1983, ISBN 0-471-29340-7.
• Peter W. Barber, Steven C. Hill: Light scattering by particles. Computational Methods (= Advanced Series in Applied Physics. 2). World Scientific, Singapore 1990, ISBN 9971-5-0832-X.
• Thomas Wriedt: Mie theory 1908, on the mobile phone 2008. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 109, 2008, S. 1543–1548, doi:10.1016/j.jqsrt.2008.01.009.

Weblinks

• Grundlagen – Phasenfunktionen von Wassertropfen
• MieCalc – Online Mie-Berechnung
• MiePlot – Freie Software zur Simulation (englisch)
• Online Mie-Berechnung (englisch)
• Radarquerschnitt einer Metallkugel in Abhängigkeit von ihrer Größe