Was ist elektromagnetische Strahlung?

1.1 Energie
und Materie

Was ist elektromagnetische Strahlung?


Elektromagnetische
Strahlung ist eine Form des Energietransfers über elektromagnetische
Wellen.

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

ems1 - Was ist 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 unabhängige Variablen:

  • 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 - Was ist elektromagnetische Strahlung?

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.

gStrahlung
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
ist 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.

 

 

 

 


Abb. 1.1

Elektromagnetische Welle

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 1.2

Wellenmodell

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

 

 

 

 


Abb. 1.3

Infrarotaufnahme
irlas - Was ist elektromagnetische Strahlung?

 


Abb. 1.4

elektromagnetisches
Spektrum
spektr4 - Was ist 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):


Abb. 1.5

Strahlungsabsorption am Beispiel CO2

co2 - Was ist 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*).

 


Abb. 1.6

Anregungszustände von Molekülen

anreg3 - Was ist 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 - Was ist elektromagnetische Strahlung?

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.

 

 

 

 

 


Abb. 1.7

Anregung von Atomen durch Strahlung

 

 

 

 

 

 


Abb. 1.8

Flammenfärbungen
gefla - Was ist elektromagnetische Strahlung?
rofla - Was ist elektromagnetische Strahlung?
grfla - Was ist elektromagnetische Strahlung?
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 Abb. 4.7)
Absorption
– Emission
In der Abbildung 4.8 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.


Abb. 1.9

Absorption und Emission von Strahlung

absem2 - Was ist elektromagnetische Strahlung?

absem - Was ist elektromagnetische Strahlung?

Das Emissionsspektrum von z.B. CO2 und O3 in
der Atmosphäre ist dem nachfolgenden Diagramm Abb 4.9 zu entnehmen.Man erkennt, daß CO2 bei ca. – 53°C Strahlungstemperatur
Wärmestrahlung von ca.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)

emiss1k - Was ist elektromagnetische Strahlung?

Auf dem obigen 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.

 

 

 


Abb. 1.10

Absorptionsspektrum der Erde

 


Abb. 1.11

Atmosphäre der Erde

pt2k - Was ist elektromagnetische Strahlung?

Bitte anklicken zum Vergrößern

 

 

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

Photogallerie der Chemiker: http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/Gallery/GalleryMenu.html
Laser: http://www.bell-labs.com/history/laser/laser_def.html

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

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

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