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

m

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

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

finis