Strahlung und Materie I

Was ist elektromagnetische Strahlung?


Elektromagnetische Strahlung ist eine Form des Energietransfers über elektromagnetische Wellen.

Sie entsteht bei der Anregung von Atomen und anderen Teilchen von chemischen Stoffen.

Elektromagnetische Strahlung als Wellen hat Eigenschaften sowohl von elektrischen und magnetischen Feldern (2):

  1. Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.
  2. Die Strahlung breitet sich in alle Richtungen geradlinig aus.
Elektromagnetische Strahlung ist gekennzeichnet durch 3 Paramter:
  • Wellenlänge l "lambda" [m, nm] ·
  • Frequenz n "nü" [s -1 , Hz]
  • Geschwindigkeit c [m s -1 ] (c = Lichtgeschwindigkeit ~ 3 × 10 8 m/ s )

Gesetz: l · n = c


Strahlungsgesetze (Kirchhoff) (1)

Allgemeine Prinzipien

a) jede Materie emittiert Strahlung
b) Intensität und Wellenlänge hängt primär von der Strahlungstemperatur ab
  • je höher ° T, desto mehr vibrieren die Elektronen
  • bei kürzeren Wellenlängen
    wird mehr Strahlung emittiert

Das Strahlungsspektrum ist die Verteilung der Strahlungsenergie über verschiedene Wellenlängen. Die wichtigsten Spektralbereiche sind unten dargestellt.

Merksatz: Die Energie der Strahlung steigt, je kürzer die Wellenlänge ist.

g-Strahlung ist eine der energiereichsten Strahlungen, sie durchdringt und zerstört Materie (l ca. 10-13 m). Röntgenstrahlung hat ähnlich Eigenschaften bei einer Wellenlänge von 10-10 m. Auch die UV-Strahlung sind noch für Organismen gefährlich (siehe Sonnenbrand); l = ca. 10 -7 m.
Das
sichtbare Licht umfaßt einen Bereich von 4 x 10-5 bis 7 x 10-5 m. (400 -700 nm).
Die
Wärme- oder Infrarotstrahlung ist unsichtbar, kann aber durch spezielle Kameras sichtbar gemacht werden. (
l ca. 10 -4m).
Daran schließt sich der
Mikrowellenbereich (cm) und der Radiowellenbereich (m) an.


Reflektion – Absorption – Transmission

Wenn Strahlung mit einer Wellenlänge l ein Objekt trifft können 3 Dinge passieren:

1. ein Teil oder alles wird reflektiert (emittiert):
® Teilreflexion: Reflektivität al; dieser Teil wird reflektiert bzw. emittiert (=abgestrahlt)

Energieerhaltungssatz:

a l + al + tl = 1

2. ein Teil oder alles wird absorbiert:
® Teilabsorption: Absorptivität al; dieser Teil erhöht die Temperatur des
Objekts, Strahlungsenergie wird in Wärme umgewandelt
3. Ein Teil oder alles wird transmittiert
® Teiltransmission: Transmissivität tl; dieser Teil macht keine
Wechselwirkung mit dem Objekt, er geht hindurch.

Bei der Strahlungsabsorption von Materie kann folgendes geschehen (hier am Beispiel des CO2-Molekül):

Kürzere Wellenlängen wie UV, also Röntgen- und g-Strahlung zerstören ebenfalls Moleküle. Atome werden ionisiert, dh. verlieren Elektronen.

Atome gehen durch Strahlungsabsorption in einen angeregten Zustand (*) über, z.B. (Atom -----> Atom*).

Insgesamt wird ihre innere Energie erhöht. Die Energie kann dabei nur in bestimmten Energiepaketen (=Quanten) aufgenommen werden. Geschieht genau die Aufnahme eines Quants, werden die Elektronen eines Atoms auf eine energiereichere Bahn angehoben (n=1,2,3..) (=Quantensprung).

Wird weniger oder mehr Energie eingestrahlt, beginnen die Elektronen zu rotieren oder zu schwingen. Einstein nannte die Energiepakete Photonen. Die gesamte Theorie wird Quantentheorie genannt. Quantensprünge, angeregt durch Photonen sind in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.

In den angeregten Zuständen verweilen die Elektronen kurze Zeit (typischerweise 10-6 bis 10-9) Sekunden. Die Verweildauer ist um so kürzer, je stärker die Energie der eingestrahlten Photonen war.

Danach gehen die Elektronen wieder in den Grundzustand zurück und geben die absorbierte Energie als Wärme oder Licht ab. Rotations- und Vibrationsenergie wird als Wärmestrahlung abgegeben. Man spricht von Emission.

Ist die Energie der eingestrahlten Wellenlänge zu groß (bei UV und kleiner), verläßt das Elektron den Atom oder Molekülverband. Es kommt zur Ionisierung. Die dazu notwendige Energie nennt man Ionisierungsenergie. Um 1 Mol H-Atome zu ionisieren sind z.B. 1312 KJ/Mol notwendig. Dies entspricht einer Wellenlänge von 91 nm und ist knapp unterhalb des UV-C-Bereichs (bis 100 nm).

Die Verweildauer ist um so kürzer, je stärker die Energie der eingestrahlten Photonen war. Die Temperatur einer Bunsenflamme (ca. 600 °C) reicht aus, um z. B. Metalle wie Na, Ca oder Cu zur Licht-Emission anzuregen. (siehe unten 5)

Absorption - Emission

In der Abbildung links kann man an einem Beispiel aus der Astronomie sehen, wann ein Absorptions- und ein Emissionsspektrum entsteht. Die entsprechenden Spektren bei Wasserstoff sind unten zu sehen.

Allgemein strahlen auch Gase bei irdischen Druckverhältnissen (1 bar) nur bei sehr hohen Temperaturen oder bei größerer Verdünnung, also niedrigeren Drücken um 0,06 bar Energie ab. Die absorbierte Energie wird bei ca. 1bar hauptsächlich durch Stöße oder Resonanztransfer auf die umgebenden Moleküle übertragen. (3)

Das Emissionsspektrum von z.B. H2O, CO2 und O3 in der Atmosphäre ist dem nachfolgenden Diagramm zu entnehmen.

Man erkennt, daß CO2 bei ca. -53°C Strahlungstemperatur Wärmestrahlung (ca. l=15 mm) emittiert ( also in etwa 11 km Höhe bei ca. 0,2 bar Druck), O3 bei etwas höherer Temperatur. (Satellitenmessung von Nimbus2-4, 1972) Außerdem ist die CO2-Emission durch die H2O-Emission im 14 mm-Breich überlagert.

Auf dem nebenstehenden Diagramm ist auch die Emission des Ozons zu sehen. Bei ca. -33 °C geben die O3-Moleküle Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von ca. 9 mm ab. Eine solche Temperatur herrscht in ca. 35 km Höhe bei einem Luftdruck von ca. 5 mbar.


Quellen:

(1) Kirchhoffsche Strahlungsgesetze: http://didaktik.physik.uni-wuerzburg.de/~pkrahmer/home/kirchho.html und http://www.geographie.ruhr-uni-bochum.de/agklima/vorlesung/strahlung/gesetze.html und http://www.adnex.de/data/strahlungsmessung/

(2) Elektromagnetische Strahlung: http://www.ccinfo.de/technik/strahlen/strahlung.htm und http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/1166/infrarot.htm

(3) http://www.john-daly.com/forcing/hug-barrett.htm und http://members.tripod.de/climate/strahlung.htm)

(5) Flammenfärbungen: Chemiebücher

(6) Infrarotspektroskopie: http://www.wag.caltech.edu/home/jang/genchem/infrared.htm