Strahlungsgesetze & Elektromagnetische Strahlung

4.2.2.1
Strahlung und Materie I

Um die Wärmebewegungen in Erdnähe zu verstehen,
müssen wir uns zunächst mit der elektromagnetischen Strahlung
beschäftigen, die in vielfältiger Form z.B. von der Sonne abgestrahlt
wird. Ein Teil der Strahlung tritt mit der Materie der Atmosphäre
bzw. der Erde in Wechselwirkung und bewirkt eine Erwärmung.
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:


ems1 - Strahlungsgesetze & Elektromagnetische Strahlung
  1. Elektromagnetische Wellen
    breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.
  2. Die Strahlung breitet sich in alle Richtungen geradlinig
    aus.

Elektromagnetische Strahlung
ist gekennzeichnet durch 3 Parameter:

  • Wellenlänge
    l
    “lambda”
    [m, nm] ·

  • Frequenz
    n
    “nü” [s -1 , Hz]
  • Geschwindigkeit
    c [m s -1 ] (c = Lichtgeschwindigkeit ~ 3 × 10 8
    m s -1 )

Gesetz:
l ·
n

= c


lichtw1 - Strahlungsgesetze & Elektromagnetische Strahlung

Strahlungsgesetze
(Kirchhoff)
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.

irlas - Strahlungsgesetze & Elektromagnetische StrahlunggStrahlung
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.

spektr4 - Strahlungsgesetze & Elektromagnetische Strahlung

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):

co2 - Strahlungsgesetze & Elektromagnetische Strahlung

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*).

anreg3 - Strahlungsgesetze & Elektromagnetische Strahlung

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.

Anreg2 - Strahlungsgesetze & Elektromagnetische StrahlungIn 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)

gefla - Strahlungsgesetze & Elektromagnetische Strahlung
rofla - Strahlungsgesetze & Elektromagnetische Strahlung
grfla - Strahlungsgesetze & Elektromagnetische Strahlung
Absorption
– Emission
absem2 - Strahlungsgesetze & Elektromagnetische StrahlungIn 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.

absem - Strahlungsgesetze & Elektromagnetische Strahlung

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 hauptsächlich durch
Stöße oder Resonanztransfer auf die umgebenden Moleküle
übertragen.
(Quelle:http://www.vision.net.au/%7Edaly/forcing/hug-barrett.htm
und http://members.tripod.de/climate/strahlung.htm)

emiss1k - Strahlungsgesetze & Elektromagnetische StrahlungDas 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.

 

Weiterführende Quellen:


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/

Elektromagnetische Strahlung: http://www.ccinfo.de/technik/strahlen/strahlung.htm
und
http://www.tp2.ruhr-uni-bochum.de/~goeke/Vorlesung_SS2001/html/06-Beobachtungen-im-Universum.htm
und http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/1166/infrarot.htm

Flammenfärbungen: http://library.thinkquest.org/3310/lographics/experiments/flmwatch.html

Emission/Absorption in der Atmosphäre: http://www.vision.net.au/%7Edaly/forcing/hug-barrett.htm
und http://members.tripod.de/climate/strahlung.htm)

Hat dir dieser Artikel geholfen?

Comments on this entry are closed.