Universität zu Köln

Künstler, Lisa (2023). Dynamic light scattering on macroscopic particles. PhD thesis, Universität zu Köln.

PDF Dissertation_Lisa_Kuenstler_230213_Druckversion_final.pdf Download (26MB)

Abstract

Many of the assumptions, that form the basis of the methodology of dynamic light scattering (DLS), do not apply to particles whose radii exceed the wavelength of light by several orders of magnitude. In this thesis, the existing DLS concept is questioned in view of its applicability to macroscopic particles. Since inhomogeneities and surface structures of macroscopic particles can be resolved by the wavelength of scattered light, the particle surface is considered as an additional, independent scattering object. Accordingly, the correlation function does not only decay due to motions of the macroscopic particles relative to one another, but also due to the motion of the surface's scattering entities. In DLS experiments with single, macroscopic spheres at least one full decay of the autocorrelation function can be observed. The existence of a second decay on smaller time scales is based on the complexity of the particle's surface structure. The late decay, which is attributed to the translation of the particle, is evaluated in terms of number fluctuation effects. Formulations for the analysis of the scattered light's detected intensity signal and for the description of the resulting autocorrelation function are presented. The development of the decay on small time-scales, which can be traced back to the motion of the surface elements with respect to the particle's barycenter, is explained by a model developed within the scope of this work. Different scenarios regarding the particle's spin axis and varying parameters are discussed. The validity of the model is tested experimentally. From the knowledge gained, the translational and rotational granular temperature is estimated in a final exemplary experiment.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language 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. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Künstler, Lisa li.dossow@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-700184
Date:	2023
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Externe Einrichtungen
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language dynamic light scattering; optics; macroscopic particles; granular matter; granular temperature; rough surface; light scattering; diffusive reflection; diffusive scattering; large particles; particle rotation; rough particle model English dynamische Lichtstreuung; Optik; makroskopische Partikel; Granulate; granulare Systeme; granulare Temperatur; Oberflächenrauigkeit; Lichstdtreuung; diffuse Reflektion; diffus streuend; große Teilchen; Teilchenrotation; raue Partikel Modell German
Date of oral exam:	5 May 2023
Referee:	Name Academic Title Sperl, Matthias Prof. Dr. Milow, Barbara Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/70018