Dynamic light scattering on macroscopic particles

Kurzfassung

Viele Annahmen, die die Grundlage der Methodik der Dynamischen Lichtstreuung (DLS) formen, gelten nicht für Partikel, deren Teilchengröße die Wellenlänge des Lichts um mehrere Größenordnungen übersteigt. In dieser Arbeit wird auf das bestehende DLS Konzept eingegangen und bezüglich der Anwendbarkeit auf makroskopische Partikel hinterfragt. Da Inhomogenitäten und Oberflächenstrukturen makroskopischer Teilchen mit der Wellenlänge von gestreutem Licht auflösbar sind, wird die Partikeloberfläche als zusätzliches, eigenständiges Streuobjekt betrachtet. Dementsprechend ist nicht nur ein Zerfall der Korrelationsfunktion durch Bewegungen der makroskopischen Teilchen relativ zu einander gegeben, sondern auch durch die Bewegung der Oberflächenstreuzentren. In DLS Experimenten mit einzelnen, makroskopischen Kugeln kann mindestens ein vollständiger Zerfall der Autokorrelationsfunktion festgestellt werden. Die Existenz eines zweiten Zerfalls auf kleineren Zeitskalen basiert auf der Komplexität der Oberflächenstruktur des Partikels. Der späte Zerfall, welcher der Translation des Teilchens zugeordnet wird, wird im Rahmen von Anzahlfluktuationseffekten evaluiert. Formulierungen zur Analyse des detektierten Intensitätssignals des gestreuten Lichts, sowie zur Beschreibung der resultierenden Autokorrelationsfunktion, werden gezeigt. Die Entstehung des Zerfalls auf kleinen Zeitskalen, der sich auf die Bewegung der Oberflächenelemente bzgl. des Partikelschwerpunkts zurückführen lässt, wird mithilfe eines entwickelten Modells erläutert. Verschiedene Szenarien bzgl. der Rotationsachse des Teilchens und variierender Parameter werden diskutiert. Das Modell wird experimentell auf seine Gültigkeit überprüft. Aus den gewonnenen Erkenntnissen kann schlussendlich in einem finalen Beispielexperiment die granulare Translations- sowie Rotationstemperatur gewonnen werden.