Molekülaufbau und Spektroskopie - Spezies Bestimmung. H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

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1 Molekülaufbau und Spektroskopie - Spezies Bestimmung H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

2 Gliederung 1 Einführung Messtechniken 2 Particle Image Velocimetry (PIV) - ein partikelbehaftetes Verfahren Partikel und ihre Eigenschaften Auswertung Ein Beispiel 3 Optische Komponenten Lichtquellen Detektoren Beispiel für ein partikelloses Strömungsmessverfahren 4 Zusammenfassung H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

3 Grundlagen Atomaufbau Grundlegendes zu Atomen und Molekülen Die gesamte Materie ist aus Atomen aufgebaut Moleküle sind aus Atomen zusammengesetzt Wechselwirkung zwischen den Elektronen Chemie Besteht aus Kern (Schwer - Protonen und Neutronen) und Hülle (Elektronen(-schalen)) Es gibt Isotope Unterscheiden sich nur durch die Masse (Neutronenzahl) Chemisch gleichwertig H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

4 Grundlagen Atomaufbau Überblick über die Geschichte der Atommodelle Demokrit: ca. 400 v.chr. - Ursprung: gr. atomos: unteilbar, feste Kugel Dalton: ca Stöchiometrie Thomson: ca Atom besteht aus positiven und negativen Ladungen; Rosinenkuchen Rutherford Experiment: ca schwerer, kleiner Kern und Elektronen-Hülle Bohr: Schalenmodell, Elektronen auf festen Bahnen, Postulate, Energieniveaus, Drehimpulsquantelung Sommerfeld: Elliptische Bahnen Quantenmechanik: Neue Physik, Welle-Teilchen-Dualismus, verschmiertes Elektron, Heisenberg, Schrödinger H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

5 Grundlagen Atomaufbau Einiges allgemeines zu Atomen Atomkern Protonen Neutronen Quarks Hülle Elektronen Energieniveaus Einige Größen Bindungsenergie des Elektrons beim H-Atom: 13,6 ev 1 ev = 1, J: kinetische Energie eines Elektrons, das über 1 V beschleunigt wurde Photon von 400 nm hat ca. 3 ev Größe: ca. 1 Å = m Kern ca mal kleiner Gewicht ca g g H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

6 Die Elektronenhülle Grundlagen Atomaufbau Kurzer Exkurs in die Quantenmechanik Kasten führt zur Quantelung Vergleichbar Schwingung einer (Gitarren-)Seite Harmonischer Oszillator Vergleich klassisch und quantenmechanisch Näherungsformel für Energieniveaus von H (Z=1): E n = Ry Z 2 Quantenzahlen n Elektronisches Anregungsniveau l Drehimpulsquantenzahl m Ausrichtung des Drehimpulses (Projektion) s Spin H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189 n 2

7 Grundlagen Energiebeiträge im Molekül Molekülaufbau Was ist ein Molekül? Ein Molekül ist eine Verbindung von mehreren Atomen Beim Molekül gibt es diese drei Hauptbeiträge zur Energie Elektronische Anregung Vergleiche Atom Vibration Schwingung wie beim Federpendel oder Knickschwingung Rotation Sich drehende Hantel Es gilt: E el > E vib > E rot H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

8 Grundlagen Strahlung Woher kommt die Strahlung? Atome werden durch Stöße (thermisch) oder durch Licht (optisch) angeregt oder kommen im angeregten Zustand aus einer Reaktion heraus Beim Rückfall in den Grundzustand (allg. einen niedrigeren Zustand) kann ein Photon emittiert werden Eigenschaften von Spektren Atome: Sehr scharfe Linien Größere Atome haben komplexer Spektren Bei Molekülen zusätzliche Linien (rot, vib) Komplexe Moleküle und Festkörper Energiebänder Schwarzkörperstrahlung beschrieben durch Planck-Formel H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

9 Grundlagen Strahlung Beispiele für Flammenleuchten Beispiel (Kerze) Beispiel (Brenner) H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

10 Grundlagen Strahlung Beispielspektren: Methan-Diffusionsflamme Beispiel (OH und CH) 1 Intensität / w. E. 0.1 CH OH Wellenlänge in nm H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

11 Grundlagen Strahlung Berechnetes Spektrum eines schwarzen Körpers Strahlungsleistung in W/(m 2 m sr) sichtbarer Wellenlängenbereich 6000 K 2500 K 1800 K 1000 K 500 K Wellenlänge in nm H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

12 Grundlagen Strahlung Gemessenes Spektrum eines schwarzen Körpers - Ruß Intensität in w. E. 5.0x x x x x x x x x10 9 Temperatur T = 1800 K gemessenes Spektrum angepasstes Spektrum Wellenlänge in nm H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

13 Spektrum Grundlagen Strahlung Quelle: Wikipedia H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

14 Equipment Spektrometer Brechungsindex n 1,75 1,7 1,65 Dispersion verschiedener Medien (aus Bergmann Schaefer - Band 3 - Optik) leichtes Flintglas schweres Kronglas Schwefelkohlenstoff Bromnaphtalin Kalkspat (ord. Str.) 1,6 0,4 0,5 0,6 0,7 Wellenlänge λ in µm Merksatz: Wer blau ist bricht! H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

15 Prismenspektrometer Equipment Spektrometer Funktionsweise eines Prismas Versuchsaufbau Quelle: Wikipedia Quelle: Wikipedia H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

16 Equipment Spektrometer Aufnahme des Spektrums einer HG-Dampflampe Beispiel Was sieht man eigentlich? Spektrale Aufteilung des Lichts Abblidung Wichtig Spektrallinien sind Spaltbilder! Quelle: Prof. Hebbeker, RWTH Aachen H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

17 Equipment Spektrometer Aufbau eines Gitter-Spektrometers Hier Monochromator Spalte S1 und S2 befinden sich im Brennpunkt der Hohl-Spiegel M1 und M2 Dazwischen parallele Strahlenbündel Detektor und Spalt können durch CCD ersetzt werden Spektrometer H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

18 Equipment Spektrometer Einfluss der Anzahl der beleuchteten Gitterstriche Auflösungsvermögen Das Auflösungsvermögen ist proportional zur Ordnung k und der Anzahl der beleuchteten Spalte N A = λ λ = k N H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

19 Equipment Spektrometer Spektrometer - Anpassung der f-zahl Definition f # = f D f = Brennweite der Linse D = Beleuchteter Durchmesser Durch f#-anpassung werden folgende Punkte optimiert: Helligkeit, Streulicht Auflösungsvermögen H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

20 Blazewinkel Equipment Spektrometer Gitter für Spektrometer werden für eine bestimmte Wellenlänge geblazet dadurch wird eine höhere Signalintensität erreicht Blazen ist ein verkippen des Gitters Überlagerung von Reflexion und Interferenz y x Gangunterschied = x y H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

21 Equipment Bildverstärker Photoeffekt - äußerer photoelektrischer Effekt Geschichtliches 1886 Effekt erstmals von Heinrich Hertz beobachtet 1905 Albert Einstein liefert theoretische Beschreibung 1921 Einstein erhält dafür den Nobelpreis Beschreibung Rausschlagen von Elektronen durch Licht Auftreten des Effekts ist wellenlängen-, aber nicht intensitätsabhängig Mehrphotonenprozesse werden hier nicht betrachtet H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

22 Photomultiplier Equipment Bildverstärker Photokathode: Photon Elektron Elektroden: Vervielfachung der Elektronen H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

23 Equipment Bildverstärker Das Prinzip des Bildverstärkers H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

24 Die Mikrokanalplatte Equipment Bildverstärker H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

25 Herstellung MCP Equipment Bildverstärker Kernglasstäbe in Glasröhre einschrumpfen verschiedene Materialien Verschmelzen von mehreren solchen Lichtleitern Erhitzen und ziehen die einzelnen Fasern werden lang und dünn In Scheiben schneiden Kernglas herausätzen Beschichten H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

26 Equipment Bildverstärker Spektrale Empfindlichkeit und Quanteneffizienz von Photokathodenmaterialien H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

27 Equipment Bildverstärker Aufbau der Intensivierten CCD-Kamera H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189

28 Zusammenfassung Zusammenfassung Das sollte hängen geblieben sein Atome und Moleküle haben spezifische Spektren Strahlung entsteht durch den Übergang von Elektronen von einem Niveau ins andere Funktionsweise Gitter-Spektrometer f#-anpassung - Helligkeit, Streulichvermeidung Auflösung - Ordnung, Ausleuchtung, Gitterabstand Helligkeit - Blazewinkel, Ausleuchtung Vorteile gegenüber Prismenspektrometer Bildverstärker - UV-empfindlich, kurze Belichtung, Vervielfachung von Elektronen H.-J. Koß, C. Pauls (LTFD - RWTH Aachen) CES - Physikalische Messtechnik SS / 189