Kurs-Nr.: Elektromagnetische Strahlung (EMS) - ChemgaPrint -

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3 Inhaltsverzeichnis 1. Strahlung Elektromagnetische Strahlung Elektromagnetisches Spektrum Der sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums: Licht Das Photon und die Energie von elektromagnetischer Strahlung Übungsaufgaben zu den Grundlagen der Strahlung... 5 ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH III

4 Kurs-Nr.: Es werden die Begriffe Strahlung und elektromagnetische Strahlung, Licht und elektromagnetisches Spektrum erklärt. Ferner werden die Zusammenhänge von Wellenzahl, Wellenlänge und Frequenz sowie der Welle- Teilchen-Dualismus und das Photon beschrieben. [Stand: Oktober 2011] Lernziele Definition von Strahlung und elektromagnetischer Strahlung Welle-Teilchen-Dualismus Wellenlänge, Wellenzahl und Frequenz elektromagnetisches Spektrum Licht - sichtbarer Bereich des Spektrums Energiequantelung (Photon) Einstufung Fachgebiet: Physik / Optik / Wellenoptik Bearbeitungszeit: 30 min Schwierigkeitsgrad (Hochschule): leicht Schwierigkeitsgrad (Ausbildung): mittel Schwierigkeitsgrad (Schule): mittel Vorkenntnisse Grundlagen der Wellenlehre Schlüsselworte Strahlung, Strahl, elektromagnetische Strahlung, elektromagnetisches Spektrum, Licht, Welle-Teilchen- Dualismus, Teilchenstrahlung, Wellenstrahlung, Photon, Lichtgeschwindigkeit, Wellenlänge, Wellenzahl, monochromatisch, polychromatisch, Komplementärfarben, Relativitätstheorie, Energie Autoren Dominik Sollmann Prof. Dr. Guenter Gauglitz Dr. Heidi Löbert Online: elektromagnetische_strahlung.vlu.html IV ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH

5 1. Strahlung Breitet sich Energie gerichtet, zeitlich und räumlich aus, spricht man von Strahlung. Der Energietransport kann durch Teilchen erfolgen (Teilchen-, Korpuskel-, Partikelstrahlung). Dies ist der Fall bei der Alphastrahlung, die aus hochenergetischen Helium-Kernen besteht (Abb. 1). Wenn die Strahlungsteilchen Masse, Ladung oder andere Eigenschaften besitzen, werden auch diese transportiert. Energie kann sich aber auch in Form von Wellen ausbreiten (Wellenstrahlung) wie beim Schall, bei dem sich Dichteschwankungen durch Materie fortpflanzen (Abb. 2). Abb.1 Beispiel für Teilchenstrahlung: Alphastrahlung Uran-238 ist instabil. Es zerfällt in ein Thorium-234-Atom und ein hochenergetisches Helium-Atom. Solche abgesonderten Helium-Atome bezeichnet man als Alphastrahlung. Auch bei Betastrahlung (Elektronen) handelt es sich um Teilchenstrahlung. Abb.2 Beispiel für Wellenstrahlung: Schall Der Versuch zeigt, dass Schall eine longitudinale Welle ist. Durch den Schlag auf das Tamburin kommt es zu kurzzeitigen Verdichtungen der Luftmoleküle hinter dem Trommelfell. Die Dichteschwankung breitet sich kugelförmig im Raum aus. Erreicht die Energie das Trommelfell des zweiten Tamburins, wird der dort angebrachte Ball in Bewegung versetzt. Die historische Debatte, ob Lichtstrahlen aus Teilchen oder Wellen bestehen, wurde in der Quantentheorie so beantwortet: Sie bestehen aus Photonen (Teilchen), die Welleneigenschaften (beispielsweise Interferenz) zeigen. Verallgemeinernd kann man aus der Quantenphysik begründen, dass alle Strahlungen sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter haben müssen. Dies wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Definition Strahlung ist ein gerichteter, zeitlicher und räumlicher Energietransport in Form von Wellen und/ oder Teilchen. Strahlung transportiert immer Energie und Impuls (d.h. sie hat eine ausgezeichnete Richtung). Der Begriff Strahl ist eher unscharf und nicht streng definiert. So gibt es einen Wasserstrahl, aber keine Wasserstrahlung. Auf der anderen Seite gibt es sowohl einen Lichtstrahl als auch Lichtstrahlung. Spricht man von Materie, die sich strahlenartig ausbreitet, ist ein Teilchen- oder Materiefluss gemeint, keine Materiestrahlung. 2. Elektromagnetische Strahlung In der Chemie kommt der elektromagnetischen Strahlung besondere Bedeutung zu. Sie kann Moleküle in Rotationen und Schwingungen versetzen oder Elektronen aus ihren Umlaufbahnen um die Atomkerne "schießen". Zur elektromagnetischen Strahlung zählen Wellen aus Rundfunk und Fernsehen, Licht, Röntgenund Gammastrahlung oder Wärmestrahlung. Sie alle lassen sich auf die gleiche physikalische Struktur zurückführen. Elektromagnetische Strahlung breitet sich normalerweise geradlinig aus - ohne einen materiellen Träger. Im Vakuum beträgt ihre Geschwindigkeit bezeichnet.. Sie wird als Lichtgeschwindigkeit ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH 1/5

6 Strahlung als Welle Jeden periodisch wiederkehrenden Vorgang bezeichnet man als Schwingung. Die einfachste Schwingungsform ist die reine Sinus-Schwingung, die sogenannte harmonische Schwingung. Ihre Eigenschaften gelten sowohl für mechanische Schwingungen als auch für elektromagnetische Strahlung. Solche Schwingungen werden durch die Größen beschrieben, die in Tab. 1 angegeben sind. Größe Symbol Einheit Bedeutung Wellenlänge Wellenzahl Frequenz Tab.1 Wichtige Größen und Einheiten in der Schwingungsspektroskopie Länge einer Welle Anzahl der Wellen pro Anzahl der Schwingungen pro Sekunde Diese Größen werden auf folgende Weise miteinander verknüpft: (1) Zur Beschreibung einer elektromagnetischen Welle werden die Wellenlänge (bzw. die Wellenzahl oder Frequenz) und die Amplitude angegeben. Wie sich eine Änderung dieser beiden Größen auf die Form einer Welle auswirkt, kann man in Abb. 3 ausprobieren. Wird eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich (Licht) gewählt, wird die Welle nicht schwarz, sondern mit ihrer charakteristischen Farbe angezeigt. Abb.3 Form einer Sinusschwingung in Abhängigkeit der Wellenlänge (bzw. Wellenzahl) und Amplitude Mono- und polychromatische Strahlung Setzt sich elektromagnetische Strahlung lediglich aus Wellen gleicher Frequenz zusammen, nennt man sie monochromatische Strahlung. In polychromatischer Strahlung sind Wellen mit unterschiedlicher Frequenz vertreten. 3. Elektromagnetisches Spektrum Elektromagnetische Strahlung erstreckt sich über einen Frequenzbereich von (Wechselströme) bis (kosmische Strahlung). Die Energie einer Mikrowelle reicht gerade dazu aus, um ein Molekül in Rotation zu versetzen. Dahingegen kann man mit der energiereichen Gammastrahlung Atomkerne spalten. Zur besseren Unterscheidung dieser verschiedenen Eigenschaften der unterschiedlichen elektromagnetischen Strahlungen, unterteilt man diese im elektromagnetischen Spektrum (Abb. 4) entsprechend ihrer Energie in verschiedene Spektralbereiche. ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH 2/5

7 Abb.4 Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums Klicken Sie auf die farbigen Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, um zu erfahren, was die betreffende Strahlung bewirken kann. Die Übergänge zwischen den Bereichen des elektromagnetischen Spektrums sind fließend. So geht das sichtbare Licht für den Menschen im Blauen bis zu einer Wellenlänge von etwa, bei Bienen ist es um ins Ultraviolette (UV) verschoben. Um solche Missverständnisse zu vermeiden, sind die Bereiche nach DIN ) klar definiert. 4. Der sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums: Licht Ursprünglich verstand man unter dem Begriff Spektrum nicht das gesamte elektromagnetische Spektrum, sondern nur das Farbband, das entsteht, wenn weißes Licht (z.b. Sonnenlicht) durch einen Spalt auf ein Prisma oder Gitter fällt und entsprechend seiner unterschiedlichen Wellenlängen verschieden stark abgelenkt wird (Abb. 5). Der Spektralbereich, für den das menschliche Auge empfindlich ist, liegt zwischen und und wird (sichtbares) Licht genannt. Besonders in der Spektroskopie wird er oft mit vis - von englisch visible "sichtbar" abgekürzt. Alle Körper, die Strahlung aus diesem Bereich aufnehmen (absorbieren) oder abgeben (emittieren), sieht ein gesunder Mensch farbig (Abb. 6). Abb.5 Normale Dispersion durch ein Prisma - oben rötlicher, unten bläulicher Farbverlauf des austretenden Strahls Abb.6 Elektromagnetisches Spektrum Der Sinneseindruck weiß bedeutet, dass unser Auge polychromatische Strahlung aller Wellenlängen des sichtbaren Bereichs empfängt. Sehen wir einen Körper schwarz, absorbiert er die elektromagnetische Strahlung mindestens im Bereich zwischen und. 1) DIN : , Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH 3/5

8 Ein Farbeindruck entsteht erst, wenn der betrachtete Körper bestimmte Wellenlängen absorbiert und nur den Rest aus dem Spektrum reflektiert oder durchlässt. Da jeder Wellenlänge eine Farbe zugeordnet ist, sieht unser Auge in diesem Fall nicht mehr weiß, sondern die Farbe des Restlichtes. Solche Farbpaare nennt man Komplementärfarben (z.b. Rot-Türkis, Blau-Gelb, Grün-Violett). Strahlt etwa weißes Licht auf einen Körper, der rotes Licht absorbiert, erscheint der Farbeindruck des Lichts, das vom Körper reflektiert wird, für unser Auge türkis. 5. Das Photon und die Energie von elektromagnetischer Strahlung Der Thermodynamiker Max Planck stellte die heute allgemein akzeptierte Hypothese auf, dass man sich elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Frequenz als einen Strom von Teilchen - den Photonen - vorstellen kann, die alle die gleiche Energie tragen: Die Energie wird in der Einheit Joule ( ) angegeben. der Fundamentalkonstanten zählt. ist das Planck'sche Wirkungsquantum, das zur Gruppe Die Energie der elektromagnetischen Strahlung (gegebener Frequenz) darf also nur bestimmte diskrete (abgegrenzte, getrennte) Werte annehmen. Ein Puls von elektromagnetischer Strahlung mit gegebener Frequenz kann nicht jede beliebige Menge an Energie beinhalten, sondern nur ein ganzzahliges Vielfaches von, also (2) Abb.7 Auch Sonnenstrahlung kann man sich aus Photonen zusammengesetzt vorstellen. Diese besitzen allerdings unterschiedliche Wellenzahlen. Die Abhängigkeit der Energie von der Wellenlänge, Wellenzahl und Frequenz Aus Gleichung (2) folgt, dass elektromagnetische Strahlung direkt proportional zu ihrer Frequenz ist: Je höher die Frequenz der Strahlung ist, desto größer ist ihre Energie. Entsprechend der Gleichung: (3) und Gleichung (2) ist die Energie auch direkt proportional zur Wellenzahl: (4) ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH 4/5

9 und umgekehrt proportional zur Wellenlänge: (5) So folgt außerdem: Je größer die Wellenzahl der Strahlung ist, desto größer ist ihre Energie und je größer die Wellenlänge der Strahlung, desto geringer ist ihre Energie. Die Masse eines Photons Laut Albert Einsteins spezieller Relativitätstheorie hat jedes Photon auch eine Masse. Diese ergibt sich nach seiner Masse-Energie-Gleichung zu: Im Gegensatz zu Elektronen, die alle die gleiche Masse besitzen, variiert die Masse von Photonen mit ihrer Energie. 6. Übungsaufgaben zu den Grundlagen der Strahlung Aufgabe 1: Bitte vervollständigen Sie den folgenden Satz: Je größer die Wellenzahl elektromagnetischer Strahlung ist, desto geringer ist ihre Energie.... desto größer ist ihre Energie.... ändert nichts an ihrer Energie. (6) Aufgabe 2: Aus wie vielen Photonen besteht ein grüner Laserpuls mit einer Wellenlänge von Aus rund Aus rund Aus rund besitzt? Photonen. Photonen. Photonen. Aus rund Photonen. Hilfe Sie benötigen folgenden mathematischen Gleichung für die Rechnung:, der eine Energie von (7) Denken Sie daran, dass die Energie eines Lichtpulses nur ganzzahlige Vielfache von Hilfe Die Anzahl der Photonen berechnet sich wie folgt: annehmen kann. (8) (9) ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH 5/5

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