Elektromagnetische Wellen sind eine der bekanntesten und am häufigsten anzutreffenden Formen von Strahlung, die gestreut wird. Besonders wichtig ist die Streuung von Licht und Radiowellen (vor allem beim Radar). Verschiedene Aspekte der elektromagnetischen Streuung sind so ausgeprägt, dass sie konventionelle Namen haben. Die wichtigsten Formen der elastischen Lichtstreuung (mit vernachlässigbarem Energietransfer) sind die Rayleigh-Streuung und die Mie-Streuung. Zur inelastischen Streuung gehören die Brillouin-Streuung, die Raman-Streuung, die inelastische Röntgenstreuung und die Compton-Streuung.
Die Lichtstreuung ist einer der beiden wichtigsten physikalischen Prozesse, die zum sichtbaren Erscheinungsbild der meisten Objekte beitragen, der andere ist die Absorption. Oberflächen, die als weiß bezeichnet werden, verdanken ihr Aussehen der mehrfachen Streuung des Lichts durch innere oder oberflächliche Inhomogenitäten des Objekts, z. B. durch die Grenzen der transparenten mikroskopischen Kristalle, aus denen ein Stein besteht, oder durch die mikroskopischen Fasern in einem Blatt Papier. Ganz allgemein wird der Glanz (oder Schimmer) einer Oberfläche durch Streuung bestimmt. Stark streuende Oberflächen werden als stumpf oder matt beschrieben, während das Fehlen von Oberflächenstreuung zu einem glänzenden Erscheinungsbild führt, wie bei poliertem Metall oder Stein.
Die spektrale Absorption, die selektive Absorption bestimmter Farben, bestimmt die Farbe der meisten Objekte mit einer gewissen Veränderung durch elastische Streuung. Die scheinbar blaue Farbe der Venen in der Haut ist ein gängiges Beispiel dafür, dass sowohl die spektrale Absorption als auch die Streuung eine wichtige und komplexe Rolle bei der Färbung spielen. Lichtstreuung kann auch Farben ohne Absorption erzeugen, oft in Blautönen, wie beim Himmel (Rayleigh-Streuung), bei der blauen Iris des Menschen und bei den Federn einiger Vögel (Prum et al. 1998). Die resonante Lichtstreuung in Nanopartikeln kann jedoch viele verschiedene, hoch gesättigte und leuchtende Farbtöne erzeugen, insbesondere wenn Oberflächenplasmonenresonanz im Spiel ist (Roqué et al. 2006).
Modelle der Lichtstreuung können in drei Bereiche unterteilt werden, basierend auf einem dimensionslosen Größenparameter, α, der wie folgt definiert ist:
α = π D p / λ , {\displaystyle \alpha =\pi D_{\text{p}}/\lambda ,}
wobei πDp der Umfang eines Teilchens und λ die Wellenlänge der einfallenden Strahlung im Medium ist. Basierend auf dem Wert von α sind diese Bereiche:
α ≪ 1: Rayleigh-Streuung (kleines Teilchen im Vergleich zur Wellenlänge des Lichts); α ≈ 1: Mie-Streuung (Teilchen etwa so groß wie die Wellenlänge des Lichts, gilt nur für Kugeln); α ≫ 1: geometrische Streuung (Teilchen viel größer als die Wellenlänge des Lichts).
Rayleigh-Streuung ist ein Prozess, bei dem elektromagnetische Strahlung (einschließlich Licht) an einem kleinen kugelförmigen Volumen mit unterschiedlichem Brechungsindex gestreut wird, z. B. an einem Teilchen, einer Blase, einem Tröpfchen oder sogar einer Dichteschwankung. Dieser Effekt wurde erstmals von Lord Rayleigh erfolgreich modelliert, von dem er auch seinen Namen hat. Damit Rayleighs Modell anwendbar ist, muss der Durchmesser der Kugel viel kleiner sein als die Wellenlänge (λ) der gestreuten Welle; normalerweise liegt die Obergrenze bei etwa 1/10 der Wellenlänge. In diesem Größenbereich ist die genaue Form des Streuzentrums in der Regel nicht sehr bedeutsam und kann oft als eine Kugel mit gleichem Volumen behandelt werden. Die inhärente Streuung, die Strahlung beim Durchgang durch ein reines Gas erfährt, ist auf mikroskopische Dichtefluktuationen bei der Bewegung der Gasmoleküle zurückzuführen, die normalerweise so klein sind, dass das Rayleigh-Modell anwendbar ist. Dieser Streuungsmechanismus ist die Hauptursache für die blaue Farbe des Erdhimmels an einem klaren Tag, da die kürzeren blauen Wellenlängen des Sonnenlichts, die über den Himmel fallen, stärker gestreut werden als die längeren roten Wellenlängen gemäß Rayleighs berühmter 1/λ4-Beziehung. Neben der Absorption ist diese Streuung eine der Hauptursachen für die Abschwächung der Strahlung durch die Atmosphäre. Der Grad der Streuung variiert als Funktion des Verhältnisses zwischen dem Teilchendurchmesser und der Wellenlänge der Strahlung, zusammen mit vielen anderen Faktoren wie Polarisation, Winkel und Kohärenz.
Für größere Durchmesser wurde das Problem der elektromagnetischen Streuung durch Kugeln erstmals von Gustav Mie gelöst, und die Streuung durch Kugeln, die größer sind als der Rayleigh-Bereich, wird daher gewöhnlich als Mie-Streuung bezeichnet. Bei der Mie-Streuung spielt die Form des Streuzentrums eine viel größere Rolle, und die Theorie gilt nur für Kugeln und, mit einigen Modifikationen, für Sphäroide und Ellipsoide. Es gibt geschlossene Lösungen für die Streuung an bestimmten anderen einfachen Formen, aber es ist keine allgemeine geschlossene Lösung für beliebige Formen bekannt.
Sowohl Mie- als auch Rayleigh-Streuung gelten als elastische Streuprozesse, bei denen die Energie (und damit Wellenlänge und Frequenz) des Lichts nicht wesentlich verändert wird. Elektromagnetische Strahlung, die von sich bewegenden Streuzentren gestreut wird, unterliegt jedoch einer Doppler-Verschiebung, die mit Hilfe von Techniken wie Lidar und Radar festgestellt und zur Messung der Geschwindigkeit des/der Streuzentren verwendet werden kann. Diese Verschiebung ist mit einer geringfügigen Energieänderung verbunden.
Bei Werten des Verhältnisses von Partikeldurchmesser zu Wellenlänge, die über 10 liegen, reichen die Gesetze der geometrischen Optik meist aus, um die Wechselwirkung von Licht mit dem Partikel zu beschreiben. Die Mie-Theorie kann für diese größeren Kugeln immer noch verwendet werden, aber die Lösung wird oft numerisch unhandlich.
Für die Modellierung der Streuung in Fällen, in denen die Rayleigh- und Mie-Modelle nicht anwendbar sind, wie z. B. bei größeren, unregelmäßig geformten Teilchen, gibt es viele numerische Methoden, die verwendet werden können. Die gebräuchlichsten sind Finite-Elemente-Methoden, bei denen die Maxwell-Gleichungen gelöst werden, um die Verteilung des gestreuten elektromagnetischen Feldes zu ermitteln. Es gibt hochentwickelte Softwarepakete, die es dem Benutzer ermöglichen, den Brechungsindex oder die Indizes des streuenden Merkmals im Raum zu spezifizieren und ein zwei- oder manchmal dreidimensionales Modell der Struktur zu erstellen. Für relativ große und komplexe Strukturen erfordern diese Modelle in der Regel erhebliche Ausführungszeiten auf einem Computer.
Elektrophorese beinhaltet die Wanderung von Makromolekülen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Bei der elektrophoretischen Lichtstreuung wird ein elektrisches Feld durch eine Flüssigkeit geleitet, das die Teilchen in Bewegung versetzt. Je größer die Ladung der Teilchen ist, desto schneller können sie sich bewegen.
