Strahlung und Materie in unterschiedlichen Aggregatzuständen: Gas, Flüssigkeit, Festkörper
Strahlung und Materie in unterschiedlichen
Aggregatzuständen:Gas, Flüssigkeit, Festkörper
Inhalt
Wechselwirkung zwischen Atomen und
• Infrarot-Strahlung
• Sichtbarem Licht
• Röntgenstrahlung
Kohärente Streuung
Kohärente Streuung ist eine von der Anregung erzwungene Schwingung des Objekts, es gibt sie für alle Frequenzen, das Verhältnis anregender zur ausgesandten Welle hängt daher vom Objekt und der Frequenz der Anregung ab
Die Emission folgt daher der anregende Welle unmittelbar, emittierte und anregende Welle stehen in fester Phasen-Beziehung, entweder in Gleich- oder in Gegenphase
m
380 nmViolett
7,9 1014Hz780 nm
rot3,8 1014Hz
Technische Schwingkreise
Molekül-schwingungen
Valenz Elektronen
Innere Orbitale
Frequenzbereiche der Oszillatoren: Giga-, Tera-Hertz und Infrarot
Kern-reaktionen
Im Infrarot-Bereich gibt es bei Molekülen:
• Wechselwirkung zwischen mechanischen Schwingungen und elektromagnetischen Wellen
• Bei Molekülen mit Dipolmoment wird durch die Absorption eines Lichtquants die mechanische Schwingung angeregt
Beispiel CO2, erste Deformationsschwingung
• Stoß der Photonen auf die Massen des Moleküls (Dipol) regen die Schwingung an
• Elektrische Anregung: Kohärente und inkohärente Streuung
Anregung bei der Raman-Spektroskopie
Beispiel für die Entstehung inkohärenter Strahlung und Impulsübertrag durch Stoß mit dem Photon
B
Inkohärent heißt, die Antwort folgt der Anregung mit Zufalls-variabler Verzögerung (etwa 10-8 s)
m
380 nmViolett
7,9 1014Hz780 nm
rot3,8 1014Hz
Technische Schwingkreise
Molekül-schwingungen
Valenz Elektronen
Innere Orbitale
Frequenzbereiche der Oszillatoren: IR, Sichtbares Licht, Ultraviolett
Kern-reaktionen
Wechselwirkung der Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts mit
• Kohärente Schwingung der Elektronenhülle als Gesamtheit
• Anregung von Valenzelektronen:– Abhängig von der Kopplung an die
Nachbarschaft, deshalb gibt es Unterschiede für• Freie Atome• Moleküle• Flüssigkeiten• Festkörper
–Isolator, Halbleiter, Leiter, Supraleiter
Kohärente Strahlung
• Kohärente Strahlung entsteht als erzwungene Schwingung der gesamten Ladungsverteilung, angetrieben vom ankommenden elektromagnetischen Feld
• Sie steht in fester „Phasen“ - Beziehung zur anregenden Strahlung:
• Anregende Amplitude und Amplitude der ausgehenden Kugelwellen sind zeitlich streng korreliert
• Kohärenz ist die Voraussetzung für Beugung und daraus folgender Abbildung
n m
Anregung 1 3
ca. 10-8 s
Emission 2 3
656,1nm
Hα = 656 nm
1
2
3
Anregung von Valenz-Elektronen
Beispiele für Emission und Absorption an freien Atomen
Abbildung: Emissionsspektrum der QuecksilberdampflampeQuelle: Meyers Enzyklopädisches Lexikon
Emissionslinienlinien von Quecksilber-Gas
Verbreiterung der Emissionslinien von Hg-Gas bei Druck-Erhöhung
Kopplung durch Druck erzeugt neben den Linie der freien Atome neue Zustände mit benachbarten Frequenzen
Zu wenig Stoß-Anregung bei zu niederem
Druck
5 10-6 atm 0,5 atm 1 atm
10 atm 50 atm 200 atm
Linienverbreiterung durch starke
Kopplung zwischen den Elektronen während des Übergangs
Quelle: http://www.lti.uni-karlsruhe.de/rd_download/Plasmastrahlungsquellen_20071207.pdf
Übergang nach der Anregung mit 6,5 eV im Frank-Hertz Versuch
Beispiel für die Emission eines 6000 K heißen Festkörpers: Sonnenspektrum (6000 K)
„Weiße“ Strahlung der Sonne (an der Oberfläche ca. 6000 K)
In dichter Materie koppeln Stöße zwischen den Nachbarn die Oszillatoren. Dadurch entstehen neue Schwingungszustände, die in ihrer Gesamtheit ein kontinuierliches Spektrum bilden
Beispiele für Absorption an freien Atomen
Abbildung: „Fraunhofer-Linien“, Absorptionslinien im Sonnenspektrum. Quelle: Meyers Enzyklopädisches Lexikon
„Fraunhofer-Linien“: Absorptionslinien von Wasserstoff und anderen Gasen vor der „weißen“ Strahlung der Sonne (an der Oberfläche ca. 6000 K)
Wirkung der Kopplung: Vergleich der Spektren von Gas und Flüssigkeit
C6H6 gasförmig
Die Verbreiterung der Linien in der Flüssigkeit durch die Kopplung zwischen den Molekülen ist klar zu erkennen
C6H6 flüssig
• Pigmente, Farbmittel in Form von feinverteilten Festkörpern, die sich in Lösungsmitteln nicht auflösen lassen, – Beispiel: Schwarzpigmente Graphit, Ruß
Weißpigmente Titandioxid• Farbstoffe, meist echte Lösungen
– Beispiel: Farbstoff-Moleküle, z. B. Indigo – Farben der Metall-Komplexe: Kopplung des
Zentralatoms (-ions) an die Ligandenhülle erzeugt neue Niveaus (z. B. blaues CuSO4)
• Je mehr Oszillatoren gekoppelt werden, desto mehr Eigenfrequenzen stehen für die Anregung zur Verfügung: Deshalb gibt es Weiß nur als Pigment oder als Kolloidteilchen (z. B. in Milch)
Beispiel für Anregung in Molekülen in Festkörpern und in flüssiger Phase
Gas, Flüssigkeit und Festkörper bei Anregung im Bereich sichtbaren Lichts
• Valenzelektronen werden angeregt• Kopplung zwischen benachbarten Atomen
„spaltet die Eigenfrequenz auf“• Scharfe Emissions- und Absorptionslinien gibt es
deshalb nur bei Gasen• Verbreiterung in Flüssigkeiten und Festkörpern
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380 nmViolett
7,9 1014Hz780 nm
rot3,8 1014Hz
Technische Schwingkreise
Molekül-schwingungen
Valenz Elektronen
Innere Orbitale
Frequenzbereiche der Oszillatoren: Röntgenstrahlung
Kern-reaktionen
Entstehung bei Ionisation größerer Atome durch Stoß in der innersten Schale
31
32
43
B
B
B
Die Zahlen stehen für die am Übergang beteiligten Nummern der Schalen (n, m), die griechischen Indizes
21
B
Bei Übergängen auf inneren
Schalen liegen die Frequenzen
im Röntgen-Bereich
Gas, Flüssigkeit und Festkörper bei Anregung mit Röntgenstrahlung
• Innere Elektronen werden angeregt• Die Energie der dabei emittierten
Photonen ist so hoch, dass der Zustand der Energie-ärmeren Valenzelektronen für Emission- und Absorption ohne Bedeutung ist
• Scharfe Emissions- und Absorptionslinien, unabhängig vom Aggregatzustand
Zusammenfassung
• Wechselwirkung mit sichtbarem Licht betrifft die Valenzelektronen
– Kopplung zwischen Atomen verbreitert die Linien – Nur Anregung freier Atome liefert scharfe Linien
• Moleküle zeigen zwei Effekte:1. Durch Kopplung Verbreiterung, „Feinstruktur“ der Linien des
freien Atoms2. Schwingungs-Spektren zeigen die Kopplung der
elektromagnetischen Welle an mechanische Schwingungen 3. In Lösungen verbreitert die Kopplung an die Atome des
Lösungsmittels die Linien noch stärker• Wechselwirkung mit Röntgenstrahlung betrifft alle
Elektronen (kohärente Streuung) oder Elektronen auf inneren Schalen (Photo Effekt)
– ist deshalb unabhängig vom Aggregatzustand
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B
Die Zahlen stehen für die am Übergang beteiligten Nummern der Schalen (n, m), die griechischen Indizes
21
B
Bei Übergängen auf inneren
Schalen liegen die Frequenzen
im Röntgen-Bereich
finis