6. LICHT UND MATERIE Elektromagnetische Strahlung weiteren Sinne: Licht kann mit Materie in Wechselwirkung treten. Dieses Prinzip nutzen wir im Alltag in vielfältiger Weise und oft nur unbewusst aus. Denken wir an die Mikrowelle, mit der wir ein Fertigessen aufwärmen, oder an die Rotlichtlampe, mit der wir versuchen, Muskelverspannungen durch Wärmeeinwirkung aufzulösen. Auch der Sonnenbrand gehört dazu, den wir bekommen, wenn wir unsere Haut zu lange der Ultraviolettstrahlung der Sonne aussetzen, und die Röntgenuntersuchung des Körpers zur Erkennung von vielerlei inneren Erkrankungen. Und zuallererst natürlich die Tatsache, dass unsere Augen überhaupt in der Lage sind, Licht zu erkennen und sogar die Farben zu unterscheiden. Um welche Art Wechselwirkung handelt es sich dabei? Licht kann man als Welle, aber auch als eine Strahlung von Teilchen (Lichtquant, Photonen) auffassen. Aufgrund der Welleneigenschaften besitzt es eine Frequenz ν und eine Wellenlänge λ. Das Produkt beider ist die Lichtgeschwindigkeit c: c = ν λ Ganz allgemein: Atome oder Moleküle werden von einem Grund- (Ruhe-) zustand mit der Energie E 0 in einen angeregten Zustand E 1 versetzt, wenn eine bestimmte, diskrete Energie ΔE (ΔE = E 1 E 0 ) für diese Anregung aufgenommen, d. h. absorbiert werden kann. (Eine andere Möglichkeit der Wechselwirkung ist die Lichtbeugung, die aber hier nicht näher diskutiert werden soll.) E 1 E 0 h ν Die Energie für ein Lichtquant berechnet sich zu ΔE = h ν = h c/λ (mit c = ν λ) h: Plancksches Wirkungsquantum ν: Anregungsfrequenz, c: Lichtgeschwindigkeit λ: Wellenlänge der Anregungsstrahlung Beispiel einer Anregung eines 2s-Elektrons (Lithium) auf ein 2p-Niveau (2p-rbital) M o d e l l m i t e l e k t r o s t a t i s c h e r b e r f l ä c h e 1
Zwei wichtige Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung sind ihre Energie, die z.b. durch die Wellenlänge λ ausgedrückt werden kann, und ihre Intensität (hier: Extinktion ε) bei einer gegebenen Wellenlänge. Trägt man die Intensität einer Strahlung gegen ihre Wellenlänge auf, erhält man ein sog. Spektrum (Energiedispersion), M o d e l l m i t e l e k t r o s t a t i s c h e r b e r f l ä c h e aus dem man ermittlen kann, in welchem Wellenlängenbereich diese Strahlung besonders intensiv ist. Der Wellenlängenbereich und damit der Energiebereich elektromagnetischer Strahlung ist sehr groß; er überspannt mindestens 18 Größenördnungen. Das entspricht einer Ausdehnungsvariation von 1 μ (10-6 m; Größenordnung von Mikroorganismen) bis zu 1 Milliarde km (10 12 m; von der Erde aus irgendwo zwischen Jupiter und Saturn). Bei solch riesigen Unterschieden ist es nicht verwunderlich, dass auch ganz unterschiedliche Arten von Wechselwirkung zwischen Licht und Materie existieren. Übersicht über die Energiebereiche mit Benennung der Strahlung und Angabe zur Reaktion von Atomen oder Molekülen auf die Absorption der jeweiligen Strahlung: (aus: Wikipedia) Man beachte, dass die Energie hier nicht in ev (oder J, cal), sondern in Wellenlängen λ und Frequenzen ν beschrieben wird. Welche dieser Einheiten jeweils verwendet wird, hat oft nur historische Gründe. Dies ist möglich wegen der oben genannten Beziehung: ΔE = h ν = h c/λ 2
Hochenergetische (ionisierende) Strahlung Es beginnt mit der extrem energiereichen γ-strahlung (Höhenstrahlung), wie sie im Weltraum vorkommen oder bei Kernreaktionen auftreten und u.a. in der Strahlentherapie verwendet werden. Hierbei werden Atome und Moleküle ionisiert, d. h. aus ihnen wird ein Elektronen vollkommen aus seinem Energieniveau (rbital) entfernt, wodurch die betroffenen Teilchen ionisiert und damit sehr reaktiv gemacht werden, was zu Folgereaktionen führt. Röntgenstrahlung, ultraviolettes und sichtbares Licht Daran schließt sich der Bereich der Röntgenstrahlung (X-Strahlung) sowie die Ultraviolett- (UV) und die sichbare Strahlung (VIS) an. Hier werden Elektronen auf höhere, unbesetzte rbitale angehoben, wodurch Radikale entstehen könen, die ebenfalls hochreaktiv sein können. Insbesondere Elektronen in Doppelbindungen (π-bindungen) und aus freien Elektronenpaaren von Heteroatome (, N, S etc.) benötigen die hier zur Verfügung stehende Energie, um in nicht besetzte rbitale (meist π*) angehoben zu werden. Bei zunehmender Kojugation mehrerer Doppelbindungen, verringert sich die benötigte Energie immer mehr, sodass irgendwann die Grenze zum sichtbaren Licht überschritten wird. Substanzen, die solche chemischen Chromophore tragen, erscheinen dann farbig. Frequenzspektrum des sichtbaren Lichts: M o d e l l m i t e l e k t r o s t a t i s c h e r b e r f l ä c h e Der Längenwellenbereich des sichtbaren Lichts liegt zwischen etwa 400 und 800 nm. Er stellt damit nur einen winzigen Teil der Energiespektrums elektromagnetischer Strahlung dar; weniger als eine halbe Größenordnung (von 18!). Ein Beispiel ist auf der nächsten Seite gezeigt. Hier werden Substanzen, die zu den Farbträgern des Rotkohlsaftes gehören (Anthocyane), im UV-VIS-Bereich gemessen. Es zeigt sich, dass durch die Änderung des ph-wertes der Chromophor, d.h. das ausgedehnte, konjugierte π-elektronensystem, verändert wird, was zu einem Farbumschlag von rot nach blau (bzw. umgekehrt) kann. Regionale Unterschiede in der Zubereitung von Rotkohl führten dazu, dass dieses Gemüse mal Rotkraut (mit Essig) und mal Blaukraut (mit schwach basischen Zusatzstoffen, z.b. Bicarbonat) genannt wird. 3
UV-VIS-Spektren von Rotkohlsaft bei unterschiedlichen ph-werten: oben: ph = 2; Mitte: ph = 7; unten : ph = 10 -glu H (rot) + -glu H (purpur) -glu - (tiefblau) (Achtung: das hiergezeigte Beispiel und die Strukturformeln sind nicht prüfungsrelevant! Sie dienen nur der Illustration.) 4
Licht, das alle Frequenzanteile mit gleicher Intensität enthält ist weiß. Fehlt ein Frequenzbereich, erscheint das Licht in der sogenannten Komplementärfarbe. Dies hat schon Goethe in seiner Farbenlehre an einem Beispiel beschrieben: Als ich gegen Abend in ein Wirtshaus eintrat, und ein wohl gewachsenes Mädchen mit blendend weißem Gesicht, schwarzen Haaren und einem scharlachroten Mieder zu mir ins Zimmer trat, blickte ich sie, die in einiger Entfernung vor mir stand, in der Halbdämmerung scharf an. Indem sie sich nun darauf hinweg bewegte, sah ich auf der mir entgegen stehenden weißen Wand ein scharzes Gesicht, mit einem hellen Schein umgeben, und die übrige Bekleidung der völlig deutlichen Figur erschien von einem schönen Meeresgrün. Ähnliche Beobachtungen hat sicher schon jeder einmal gemacht. (Aber nicht jeder kann das so poetisch ausdrücken.) Subtraktive Farben Erscheint uns ein Kleidungsstück rot, bedeutet das, dass der darin vorhandene Farbstoff die grünen Lichtanteile (Komplementärfarbe) absorbiert. Verschluckt er blau, ist das Kleidungsstück orange gefärbt, usw. Farben, die dadurch entstehen, dass bestimmte Frequenzanteile absorbiert wurden, nennt man Subtraktive Farben. Jede beliebige Farbe kann durch Mischen der absorbierenden Farbstoffe und durch ihre jeweilige Absorptionsintensität generiert werden. Wird alles absorbiert, erscheint der Gegenstand schwarz, d. h. ohne Reflexion wäre er sogar unsichtbar. Additive Farben Es gibt auch additive Farben. Hierbei emittiert jeder Grundfarbstoff (rot, grün und blau) Licht einer bestimmten Wellenlänge bzw. eines Wellenlängenbereichs mit einer bestimmten Intensität, die natürlich auch 0 sein kann. Wieder kann durch Mischen jede beliebige Farbe erzeugt werden. Mischen wir sie alle drei mit gleicher Intensität, erscheint der Licht abstrahlende Gegenstand weiß. Dieses Prinzip wird im Farb-TV und bei Monitoren gleich welcher Technologie angewendet. Infrarot-Licht (Wärmestrahlung) Im Infrarot-(IR-)Bereich ist die Energie bereits so gering, dass Elektronen nicht mehr aus ihren rbitalen entfernt werden können. Vielmehr wird hier die Intensität der ohnehin immer vorhandenen Molekülschwingungen angeregt. Dies führt zu einer Erwärmung, weshalb man die IR- Strahlung auch Wärmestrahlung nennt. Bei der Anwendung von Infrarotlampen ist es keineswegs das rote Licht, das erwärmt, sondern die in der Energie schwächere, aber für unser Auge unsichtbare Infrarot-Strahlung. Man setzt Infrarotsensoren auch bei der Ermittlung von unsichtbaren Wärmequellen ein (Nachtsichtgeräte, Aufspüren von Wärmelecks an Häuserfassaden usw.) 5
Mikrowellenstrahlung Bei der energetisch noch niedrigeren Mikrowellenstrahlung können nur noch Molekülrotationen angeregt werden; selbst für Molekülschwingungen reicht diese Energie nicht mehr aus. Bestrahlt man eine Substanz im Gaszustand, kann man aus der Energieabsorption (Mikrowellenspektrum) molekulare Eigenschaften berechnen wie z.b. das Trägheitsmoment. Daraus wiederum lassen sich geometrische Parameter wie Bindungsabstände, und räumliche Verteilung der Atome im Molekül ermitteln. Im Mikrowellengerät sorgt die Einstrahlung dafür, dass die Wassermoleküle des zu erwärmenden bjekts immer stärker rotieren. Dabei erhitzt sich das Wasser sehr schnell bis zum Siedepunkt. Das Besondere der Mikrowellenstrahlung ist die Tatsache, dass sie organische Materie durchdringen kann, das bjekt also überall und gleichzeitig erhitzt wird. Deshalb reicht meist eine nur kurze Bestrahlungsdauer von wenigen Minuten. Vorsicht ist geboten, wenn das bjekt sich bei Erwärmung verflüssigt (z.b. ein Stück Butter). Es wird schon nach kurzer Zeit zwar von außen immer noch fast gleich aussehen, aber innen einen unter Druck stehenden flüssigen Kern enthalten. Radiostrahlung Und schließlich gibt es noch die Radiostrahlung, die extrem niedrig ist und nur noch Übergänge aus Energieniveaus bewerkstelligen kann, die bestimmte magnetische Atomkerne (z.b: 1 H, Proton) in einem äußeren Magnet einnehmen. Trotz dieser nur sehr geringen Energie hat sich aus der Nutzung dieser Strahlung die wichtigste spektroskopische Methode, die NMR-Spektroskpie, entwickelt, die es heute zumindest im Bereich der organischen Chemie gibt. Eine wichtige medizinische Anwendung ist die Kernspin- Tomografie. Hier wird letztlich die Wasserverteilung im Körper dreidimensional dargestellt. Im Alltag sind wir ständig von Radiostrahlung vielerlei Wellenlängen umgeben. Dazu zählen die TV- und Radiosender, aber seit einigen Jahren auch Handys. Da diese Energie von 2-3 Watt ausstrahlen und unmittelbar an den Kopf gehalten werden, ist bei intensivem Gebrauch eine gesundheitliche Schädigung nicht auszuschließen. 6