Wie weit Licht durch Milch dringt

Lichtteilchen legen in klarer und trüber Flüssigkeit die gleiche mittlere Strecke zurück
Im Falle einer transparenten Flüssigkeit (links) sind Lichtpfade geradlinig. Im Falle einer Trübung durch Nanopartikel (rechts) werden Lichtpfade durch Streuung komplizierter. Manche der Pfade werden dadurch länger, manche kürzer - im Schnitt ist die mittlere Lände der Lichtpfade jedoch gleich wie im Falle ohne Trübung.
Im Falle einer transparenten Flüssigkeit (links) sind Lichtpfade geradlinig. Im Falle einer Trübung durch Nanopartikel (rechts) werden Lichtpfade durch Streuung komplizierter. Manche der Pfade werden dadurch länger, manche kürzer - im Schnitt ist die mittlere Lände der Lichtpfade jedoch gleich wie im Falle ohne Trübung.
© TU Wien
Wien (Österreich) - Dringt Licht durch ein Glas Milch, wird es vielfach an winzigen Fettteilchen gestreut und erzeugt die weiße Färbung. Daher erscheint auch das Weiß von Vollmilch intensiver als von fettarmer Milch. Da Lichtteilchen durch diese Streuungen viele Umwege machen müssen, sollten sie in Milch eine weitere Strecke zurücklegen als in klarem Wasser. Doch dieser auf dem erstem Blick plausible Zusammenhang ist nicht korrekt. Wie Wiener Physiker in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, bleibt die mittlere Weglänge der Lichtteilchen in klaren und beliebig trüben Flüssigkeiten überraschenderweise immer gleich.

„Im Mittel ist der durchschnittliche Weg, den das Licht in der Flüssigkeit zurücklegt, immer gleich lang“, sagt Stefan Rotter von der Technischen Universität Wien. Dieses bereits theoretisch vorhergesagte Phänomen überprüfte er nun mit seinen Kollegen auch experimentell. Dazu füllten die Physiker kleine, knapp einen Zentimeter durchmessende Glasröhrchen mit Wasser und ergänzten winzige Kügelchen aus dem Kunststoff Polystyrol. Je größer die Menge der zugefügten Kügelchen mit Durchmessern von 100 oder 360 Nanometern war, desto stärker die Lichtstreuung. Die Flüssigkeit wurde entsprechend trüber und undurchsichtiger.

Ihre Glasröhrchen beleuchteten Rotter und Kollegen auf der gesamten Vorderseite mit Laserlicht. Auf der Rückseite installierten sie einen empfindlichen Lichtsensor, der sich fast in einem kompletten Halbkreis um das Röhrchen rotieren ließ. So konnten die Forscher sowohl mehrfach gestreute Lichtteilchen mit langen Weglängen als auch seltener gestreute mit kürzeren Weglängen nachweisen. Die Messungen ergaben, dass in zunehmend trüben Flüssigkeiten ein schrumpfender Anteil des Lichts zwar öfters gestreut wurde und längere Wegstrecken zurücklegte. Dafür aber ein zunehmender Lichtanteil nach nur wenigen Streuungen das Röhrchen auf kürzeren Wegen wieder verließ. In der Summe blieb die mittlere Weglänge unabhängig von der Trübung der Flüssigkeit konstant.

Mit diesem Experiment bestätigten die Forscher die vor drei Jahren durchgeführten theoretischen Berechnungen. Ob Licht dabei als Teilchen oder als Welle behandelt wurde, änderte am Ergebnis nichts. „Es ist ein universelles Gesetz, das grundsätzlich für jede Art von Welle gilt“, sagt Rotter. So ergeben sich nicht nur Anwendungen, in denen wie bei der Analyse von Flüssigkeiten Lichtstreuung eine Rolle spielt. Auch Schallwellen und sogar Gravitationswellen, die eine Galaxie durchdringen, sollten unabhängig von der Anzahl und Dichte von streuenden Objekten in einem definierten Raum immer die gleiche mittlere Strecke zurücklegen.

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