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Molekülspektren und ihre Bedeutung für die Erdatmosphäre Übungen zu Theoretischer Physik für das Lehramt L2 von Stephanie Gabler und Elisabeth Wallner.

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Präsentation zum Thema: "Molekülspektren und ihre Bedeutung für die Erdatmosphäre Übungen zu Theoretischer Physik für das Lehramt L2 von Stephanie Gabler und Elisabeth Wallner."—  Präsentation transkript:

1 Molekülspektren und ihre Bedeutung für die Erdatmosphäre Übungen zu Theoretischer Physik für das Lehramt L2 von Stephanie Gabler und Elisabeth Wallner

2 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 2 Überblick Geschichtlicher Hintergrund - Erkenntnisse Was ist ein Spektrum? Verfahren von Molekülspektren Wie entsteht eine Spektrallinie? Bsp. Sterne und ihre Spektren Aufbau und Zusammensetzung der Erdatmosphäre Bildung und Zerstörung von Ozon Ozonloch Treibhauseffekt

3 Geschichte der Molekülspektroskopie Erstmals entdeckt wurden Absorptionslinien 1802 durch William Hyde Wollaston und 1813, unabhängig von ihm, durch Joseph von Frauenhofer im Spektrum der Sonne Stark idealisierte und semi- klassische Modelle für Moleküle auf Grund der Quantentheorie basierend auf dem Bohr´schen Atommodell Modell fester Kern Modell starrer Rotator Modell an- harmonischer Oszillator

4 Was ist und was zeigt ein Spektrum? Bei Spektroskopie wird die Absorption oder die Emission elektromagnetischer Strahlung durch Moleküle (oder Atome) untersucht. Durch Auswertung der Molekülspektren: Energiezustände, Rotations- und Schwingungsfrequenzen, Trägheitsmomente, Kraftkonstanten, in speziellen Fällen ergeben sich Aussagen über Kernspin, Potentialkurven

5 Verfahren von Molekülspektroskopie Infrarot- Spektroskopie Untersuchung von festen, flüssigen oder gasförmigen Proben Raman- Spektroskopie zur Untersuchung molekularer Schwingungen Mikrowellenspektroskopie für Absorptionsmessungen an der Erdatmosphäre auf Satelliten

6 Spektrallinien Als Spektrallinien oder Resonanzlinie bezeichnet man voneinander scharf getrennte Linien eines Spektrums. Emissionslinien Absorptionslinien

7 Übergangsenergie E n =(n+1/2)ħω ΔE= E Endwert – E Anfang ΔE = -Rhc [(1/n²E)-(1/n²A)]

8 Theoretischer Hintergrund Harmonischer Oszillator Potenzial mit V(x)= κx²/2 Ψ 0 (x)= e -x²/2a² Energieeigenwerte E n =(n+1/2)ħω Kreisfrequenz ω=√(κ/m) Frequenz ν= ω/2π =c/λ Hz Wellenlänge λ= c/ ν nm

9 Fraunhofersche Linien = Absorptionslinien im Spektrum der Sonne Aussagen über chemische Zusammensetzung und die Temperatur der Gasatmosphäre der Sonne und von Sternen Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 9

10 Sterne und ihre Spektren Objektivprismenaufnahme eines Sternfeldes bei einigen Sternen lassen sich die Spektrallinien erkennen Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 10

11 Aufbau der Erdatmosphäre Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 11

12 Aufbau der Erdatmosphäre Nach der thermischen Einteilung: Troposphäre (10 – 12km) Stratosphäre (12 – 50km) Mesosphäre (50 – 85km) Thermosphäre (Ionosphäre) (85 – 500km) Exosphäre (> 500km) Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 12

13 Aufbau der Erdatmosphäre Nach der chemischen Zusammensetzung: Homosphäre = untere Schicht Atmosphärengase sind gut durchmischt erstreckt sich bis 80/100km Höhe mittlere Molmasse der Luft: etwa 29 g/mol Heterosphäre molekularen Diffusionsvorgängen  Entmischung der verschiedenen Bestandteile nach ihrem Molekulargewicht Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 13

14 Barometrische Höhenformel Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 14

15 Zusammensetzung der Erdatmosphäre Permanente Hauptbestandteile  Stickstoff 78%  Sauerstoff 21%  Argon 0,9%  Kohlendioxid 0,04% Permanente Spurengase Räumlich und zeitlich schwankende Anteile Nicht variable Spurengase Variable Spurengase Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 15

16 Natürlicher Treibhauseffekt sorgt für eine Durchschnittstemperatur von etwa 15°C Ohne ihn würde die Temperatur bei -18°C liegen Einige Spurenelemente wirken als Treibhausgase  hindern Teil der Wärmestrahlung daran, ins Weltall zu entweichen Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 16

17 Bildung und Zerstörung von Ozon O 2 + UV-Licht, elektrische Entladungen  2O O 2 + O  O 3 Chapman-Theorie: O 3 + UV-Licht  O 2 + O O 3 + O  O 2 + O Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 17

18 Ozonloch Auslöser der Ozonzerstörung: anthropogen halogenierten Kohlenwasserstoffe (FCKWs) sehr kalte und stabile winterliche antarktische Stratosphäre Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 18

19 Treibhauseffekt das sichtbare Licht der Sonne trifft auf die Erde und wird teilweise in Infrarotstrahlung umgewandelt, welche von bestimmten Molekülen absorbiert wird und in alle Richtungen weggestrahlt wird. Ein Teil davon wird also auch wieder zur Erde zurückgeworfen, was eine stärkere Erwärmung zur Folge hat Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 19

20 Quellen Klose, B.: Meteorologie – Eine interdisziplinäre Einführung in die Physik der Atmosphäre (2008) Wagner, Reischl, Steiner: Einführung in die Phyik Bild Aufbau der Erdatmosphäre: Bild Fraunhofersche Linien: Bild Objektivprismenaufnahme eines Sternenfeldes: Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 20

21 Danke für die Aufmerksamkeit!


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