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Strahlung und Materie in unterschiedlichen Aggregatzuständen: Gas, Flüssigkeit, Festkörper.

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Präsentation zum Thema: "Strahlung und Materie in unterschiedlichen Aggregatzuständen: Gas, Flüssigkeit, Festkörper."—  Präsentation transkript:

1 Strahlung und Materie in unterschiedlichen Aggregatzuständen: Gas, Flüssigkeit, Festkörper

2 Inhalt Wechselwirkung zwischen Atomen und Infrarot-Strahlung Sichtbarem Licht Röntgenstrahlung

3 Kohärente Streuung Kohärente Streuung ist eine von der Anregung erzwungene Schwingung des Objekts, es gibt sie für alle Frequenzen, das Verhältnis anregender zur ausgesandten Welle hängt daher vom Objekt und der Frequenz der Anregung ab Die Emission folgt daher der anregende Welle unmittelbar, emittierte und anregende Welle stehen in fester Phasen-Beziehung, entweder in Gleich- oder in Gegenphase

4 380 nm Violett 7, Hz 780 nm rot 3, Hz Technische Schwingkreise Molekül- schwingungen Valenz Elektronen Innere Orbitale Frequenzbereiche der Oszillatoren: Giga-, Tera-Hertz und Infrarot Kern- reaktio nen

5 Im Infrarot-Bereich gibt es bei Molekülen: Wechselwirkung zwischen mechanischen Schwingungen und elektromagnetischen Wellen Bei Molekülen mit Dipolmoment wird durch die Absorption eines Lichtquants die mechanische Schwingung angeregt

6 Beispiel CO 2, erste Deformationsschwingung

7 Stoß der Photonen auf die Massen des Moleküls (Dipol) regen die Schwingung an Elektrische Anregung: Kohärente und inkohärente Streuung Anregung bei der Raman-Spektroskopie

8 Beispiel für die Entstehung inkohärenter Strahlung und Impulsübertrag durch Stoß mit dem Photon Inkohärent heißt, die Antwort folgt der Anregung mit Zufalls-variabler Verzögerung (etwa s)

9 380 nm Violett 7, Hz 780 nm rot 3, Hz Technische Schwingkreise Molekül- schwingungen Valenz Elektronen Innere Orbitale Frequenzbereiche der Oszillatoren: IR, Sichtbares Licht, Ultraviolett Kern- reaktio nen

10 Wechselwirkung der Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts mit Kohärente Schwingung der Elektronenhülle als Gesamtheit Anregung von Valenzelektronen: –Abhängig von der Kopplung an die Nachbarschaft, deshalb gibt es Unterschiede für Freie Atome Moleküle Flüssigkeiten Festkörper –Isolator, Halbleiter, Leiter, Supraleiter

11 Kohärente Strahlung Kohärente Strahlung entsteht als erzwungene Schwingung der gesamten Ladungsverteilung, angetrieben vom ankommenden elektromagnetischen Feld Sie steht in fester Phasen - Beziehung zur anregenden Strahlung: Anregende Amplitude und Amplitude der ausgehenden Kugelwellen sind zeitlich streng korreliert Kohärenz ist die Voraussetzung für Beugung und daraus folgender Abbildung

12 n m Anregung1 3 ca s Emission ,1nm H α = 656 nm Anregung von Valenz-Elektronen

13 Beispiele für Emission und Absorption an freien Atomen Abbildung: Emissionsspektrum der Quecksilberdampflampe Quelle: Meyers Enzyklopädisches Lexikon Emissionslinienlinien von Quecksilber-Gas

14 Verbreiterung der Emissionslinien von Hg-Gas bei Druck-Erhöhung Kopplung durch Druck erzeugt neben den Linie der freien Atome neue Zustände mit benachbarten Frequenzen Zu wenig Stoß- Anregung bei zu niederem Druck atm0,5 atm 1 atm 10 atm50 atm 200 atm Linienverbreiterung durch starke Kopplung zwischen den Elektronen während des Übergangs Quelle: Übergang nach der Anregung mit 6,5 eV im Frank- Hertz Versuch

15 Beispiel für die Emission eines 6000 K heißen Festkörpers: Sonnenspektrum (6000 K) Weiße Strahlung der Sonne (an der Oberfläche ca K) In dichter Materie koppeln Stöße zwischen den Nachbarn die Oszillatoren. Dadurch entstehen neue Schwingungszustände, die in ihrer Gesamtheit ein kontinuierliches Spektrum bilden

16 Beispiele für Absorption an freien Atomen Abbildung: Fraunhofer-Linien, Absorptionslinien im Sonnenspektrum. Quelle: Meyers Enzyklopädisches Lexikon Fraunhofer-Linien: Absorptionslinien von Wasserstoff und anderen Gasen vor der weißen Strahlung der Sonne (an der Oberfläche ca K)

17 Wirkung der Kopplung: Vergleich der Spektren von Gas und Flüssigkeit C 6 H 6 gasförmig Die Verbreiterung der Linien in der Flüssigkeit durch die Kopplung zwischen den Molekülen ist klar zu erkennen C 6 H 6 flüssig

18 Pigmente, Farbmittel in Form von feinverteilten Festkörpern, die sich in Lösungsmitteln nicht auflösen lassen, –Beispiel: Schwarzpigmente Graphit, Ruß Weißpigmente Titandioxid Farbstoffe, meist echte Lösungen –Beispiel: Farbstoff-Moleküle, z. B. Indigo –Farben der Metall-Komplexe: Kopplung des Zentralatoms (-ions) an die Ligandenhülle erzeugt neue Niveaus (z. B. blaues CuSO 4 ) Je mehr Oszillatoren gekoppelt werden, desto mehr Eigenfrequenzen stehen für die Anregung zur Verfügung: Deshalb gibt es Weiß nur als Pigment oder als Kolloidteilchen (z. B. in Milch) Beispiel für Anregung in Molekülen in Festkörpern und in flüssiger Phase

19 Gas, Flüssigkeit und Festkörper bei Anregung im Bereich sichtbaren Lichts Valenzelektronen werden angeregt Kopplung zwischen benachbarten Atomen spaltet die Eigenfrequenz auf Scharfe Emissions- und Absorptionslinien gibt es deshalb nur bei Gasen Verbreiterung in Flüssigkeiten und Festkörpern

20 380 nm Violett 7, Hz 780 nm rot 3, Hz Technische Schwingkreise Molekül- schwingungen Valenz Elektronen Innere Orbitale Frequenzbereiche der Oszillatoren: Röntgenstrahlung Kern- reaktio nen

21 Entstehung bei Ionisation größerer Atome durch Stoß in der innersten Schale Die Zahlen stehen für die am Übergang beteiligten Nummern der Schalen (n, m), die griechischen Indizes 21 Bei Übergängen auf inneren Schalen liegen die Frequenzen im Röntgen- Bereich

22 Gas, Flüssigkeit und Festkörper bei Anregung mit Röntgenstrahlung Innere Elektronen werden angeregt Die Energie der dabei emittierten Photonen ist so hoch, dass der Zustand der Energie-ärmeren Valenzelektronen für Emission- und Absorption ohne Bedeutung ist Scharfe Emissions- und Absorptionslinien, unabhängig vom Aggregatzustand

23 Zusammenfassung Wechselwirkung mit sichtbarem Licht betrifft die Valenzelektronen –Kopplung zwischen Atomen verbreitert die Linien –Nur Anregung freier Atome liefert scharfe Linien Moleküle zeigen zwei Effekte: 1.Durch Kopplung Verbreiterung, Feinstruktur der Linien des freien Atoms 2.Schwingungs-Spektren zeigen die Kopplung der elektromagnetischen Welle an mechanische Schwingungen 3.In Lösungen verbreitert die Kopplung an die Atome des Lösungsmittels die Linien noch stärker Wechselwirkung mit Röntgenstrahlung betrifft alle Elektronen (kohärente Streuung) oder Elektronen auf inneren Schalen (Photo Effekt) –ist deshalb unabhängig vom Aggregatzustand

24 Die Zahlen stehen für die am Übergang beteiligten Nummern der Schalen (n, m), die griechischen Indizes 21 Bei Übergängen auf inneren Schalen liegen die Frequenzen im Röntgen- Bereich finis


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