BIOPHYSIK 7. Vorlesung Der Photoeffekt: die auf die Materie einfallende Strahlung löst ein Elektron aus. Es gibt eine Grenzfrequenz, welche die Strahlung haben muss, um das Atom gerade zu ionisieren. Licht als Teilchenstrahlung (äusserer Photoeffekt) Interpretation: Teilchenstrahlung, Energiequantum: Photon 1 c 1 hf h A E kin A mv Einstensche Gleichung f: Energie, Frequenz, Wellenlänge des Photons A: Austrittsarbeit (Ionisationsenergie), h= Plancksche Konstante 1 E kin mv : kinetische Energie des ausgelösten Elektrons A hfgr A, fgr f h Gr : Grenzfrequenz Elektronenvolt als Energieeinheit: (elektrische Arbeit)=(Ladung)x(Spannung) W = e x 1 V = 1.6x10-19 C x 1 V = 1.6x10-19 J 3 Energie Frequenz Wellenlänge Bezeichnung Emissionsquelle 30 Hz 10 4 km 300 Hz 10 3 km niederfrequente Wellen Generatoren der Industrie 3 khz 10 km 30 khz 10 km Langwellen 300 khz 1 km 3 MHz 100 m Mittelwellen 30 MHz 10 m Kurzwellen elektrische Generatoren 300 MHz 1 m Ultrakurzwellen 3 GHz 100 mm Dezimeterwellen 30 GHz 10 mm Zentimeterwellen 300 GHz 1 mm 0.01 ev 3 THz 100 um 0.1 ev 30 THz 10 um Infrarotstrahlen Strahlung heisser Körper 1 ev 300 THz 1 um 10 ev 3 PHz 100 nm sichtbares Licht Energieumsatz in der 100 ev 30 PHz 10 nm Ultraviolettstrahlung Atomhülle 1 kev 300 PHz 1 nm 10 kev 3 EHz 100 pm Abbremsung von Elektronen 100 kev 30 EHz 10 pm Röntgenstrahlen im Kernfeld 1 MeV 300 EHz 1 pm 10 MeV 3x10 1 Hz 100 fm 30x10 1 Hz 10 fm Gammastrahlen Energieumsatz im Atomkern 300x10 1 Hz 1 fm 3x10 4 Hz 100 am Elementarteilchen und deren 30x10 4 kosmische Strahlung Hz 10 am Zerfallsprodukte Radiowellen W 4
Strahlung: Energie wird transportiert (Energiestrahlung) Energie, E [E] = J (Joule) Energiestrom = Leistung P E t [P] = W (Watt) E: die transportierte Energie während der Zeitspanne t Energiestromdichte =Leistungsdichte = Intensität [J] = W/m J P A 1 A E t A: die Fläche (senkrecht zur Richtung der Strahlung) 5 6 Spektrum als eine spezielle Häufigkeitsverteilung h: Körpergrösse H: akrobatische Höhe, kollektive Höhe, Gesamthöhe (absolute) Häufigkeitsverteilung der Körpergrösse h: Klassenbreite Fläche: n, Anzahl der Personen Spektrum (spektrale Verteilung): wie bekommen wir etwas aus der Teilen (Quanten) H: akrobatische Grösse, kollektive Grösse n h (1/10 cm) H h 0 4 6 0 50 100 10cm *1/10cm = 1 n: Anzahl der Daten 150 160 170 180 190 00 10 Körpergrösse, h (cm) 10cm *16.5 = 165 cm 150 160 170 180 190 00 10 Körpergrösse, h (cm) H 1 05 cm 7 8
Emissionsspektrum: wie verteilt sich die gesamte emittierte Energie über die Photonenenergien charakteristische Grösse der Energietransport: Intensität (manchmal die Leistung) Benützung der Wellenlänge ist bequemer als die der Photonenenergie E E / J 0 50 100 150 160 170 180 190 00 10 Photonenenergie E Monochromator Lichtquelle, Eintrittsspalt, fokusierbarer Spiegel, Dispersionselement (Amplitudengitter, Prisma) Ausgangsspalt, Detektor (SEV) 9 10 Entstehung eines kontinuierlichen Spektrums mittels eines Prismenmonochromators bei einem Temperaturstrahler (z. B. Glühlampe) Entstehung eines Linienspektrums mittels eines Prismenmonochromators bei mit elektrischem Strom angeregtem Niederdruck-Wasserstoffgas 11 1
Photodetektor Beispiel: SEV (Sekundärelektronenver vielfacher) = PMT Kontinuierliches Spektrum erhitzte Festkörper und Flüssigkeiten, z. B. Sonne, Glühlampe (Siehe: Temperaturstrahlung. Thermographie) J 15 16
Emission von Wasserstoff Linienspektrum angeregte Atome, z. B. Na-Linie bei 590 nm J ein Teil des Emissionsspektrums von Argon Plasma Die Atome des Niederdruck-Wasserstoffgases bewegen sich unabhängig voneinander. Entsprechend den Unterschieden der Energieniveaus emittieren sie Photonen bestimmter Wellenlängen, es entsteht ein Linienspektrum 17 nm 18 Bandenspektrum J f (aus vielen sehr dicht liegenden Linien): angeregte Moleküle z. B. Mioglobin (ohne Eisen) J Spektren von Niederdruck-, Hochdruck- und Höchstdruck- Quecksilberdampflampen. Man beachte, dass die Spektrallinien mit zunehmendem Druck an Zahl zunehmen bzw. sich zu Banden verbreitern! 14000 14500 15000 15500 16000 16500 f, cm -1 ~ Photonenenergie 600 650 700 nm 19 0
Information aus dem Emissionsspektrum Messung des Emissionsspektrums Fläche unter der Kurve: quantitative Analyse Konzentrationsbestimmung Lumineszenzspektren von aromatischen Aminosäuren (Rontó-Tarján, Abb. 4.15) Position der Spitze: qualitative Analyse Substanz, Zusammensetzung, Struktur! Prinzipieller Aufbau des Spektrometers und Aufzeichnung des Spektrums 1 Quantitative Analyse Flammenfärbung Prinzipieller Aufbau des Flammenphotometers 3 4
Qualitative Analyse Flammenfärbung Aufbau des Handspektroskops Na Sr Li Ca K 5 6 Schlussbemerkungen für Spektroskopie EM-Strahlung Wellenlänge untersuchte Eigenschaft Spektroskopische Methode Radiowellen 100 m 1 m Änderung des Kernspinzustandes Kernresonanzspektroskopie(NMR, auch Hochfrequenzspektroskopie) Klassifizierung: 1) Spektroskopiearten nach Wellenlängen und untersuchten Eigenschaften Nächste Folie ) Liste mit Spektroskopiearten und -methoden in der Analytik Sind mindestens 45 verschieden art z.b.: Winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES) Mikrowellen Mikrowellen Terahertzstrahlung Infrarotstrahlung sichtbares Licht UV-Strahlung Änderung des Elektronenspinresonanz(ESR/EPR), 1 m 1 cm Elektronenspinzustandes oder Ramsey-Spektroskopie (Atomuhren) Hyperfeinzustandes Änderung des 10 cm 1 mm Mikrowellenspektroskopie Rotationszustandes 1 mm 100 µ Änderung des Submillimeterwellenspektroskopie m Schwingungszustandes 1 mm 780 n m 1 µm 10 nm Änderung des Schwingungszustandes Änderung des Zustandes der äußeren Elektronen Schwingungsspektroskopie (Infrarotspektroskopie(IR), Reflexionsspektroskopie und Ramanspektroskopie Ultrakurzzeit- Spektroskopie) UV/VIS-Spektroskopie(UV/Vis), Reflexionsspektroskopie, Fotoleitungsspektroskopie Fluoreszenzspektroskopie; Ultrakurzzeit- Spektroskopie Atomspektroskopie Vergleich mit Frequenzkamm Mehr auf: https://de.wikipedia.org/wiki/spektroskopie 7 Röntgenstrahlung Gammastrahlung 10 nm 100 p m Änderung des Zustandes der Rumpfelektronen Röntgenspektroskopie (XRS); Elektronenspektroskopie; Auger-Elektronen- Spektroskopie(AES); Änderung des Kernzustandes 100 pm 1 pm Gammaspektroskopie (Anordnung der Nukleonen) 8
Zusammenfassung Licht als Teilchenstrahlung, Photoeffekt, Spektroskopie Nützliche youtube videos: Einführung in die Infrarotspektroskopie https://www.youtube.com/watch?v=rkaebo0shgs optische Spektroskopie https://www.youtube.com/watch?v=hthihcv0j_s Flamenfärbung https://www.youtube.com/watch?v=fmwt_5j6i5q 9 30 Fragen, Bemerkungen, Kommentare?