Licht und Photonen © Dr. Rolf Piffer

Elektromagnetische Strahlung Licht ist eine elektromagnetische Welle mit der Wellenlänge  der magnetischen Flussdichte B der elektrischen Feldstärke E Licht breitet sich mit der Geschwindigkeit c aus Die Frequenz f der EM-Welle und die Wellenlänge  hängen zusammen: c = f *  => Je größer f, desto kleiner ist , und umgekehrt © Dr. Rolf Piffer

Wellenlänge und Farbe Sichtbares Licht: 750 nm    400 nm (rot) (blau) Infrarot (IR) mit  > 750 nm Ultraviolett (UV) mit  < 400 nm Spektrum © Dr. Rolf Piffer

Wellenlänge und Energie Nach Einstein: Lichtenergie: E ~ f d.h. je größer die Frequenz, desto größer die Energie oder: je kleiner die Wellenlänge, desto größer die Energie -> Lichtquanten oder Photonen kleine Energie mittlere Energie große Energie © Dr. Rolf Piffer

Lichtquanten Lichtquant = Photon "Fünfzig Jahre intensiven Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage "Was sind Lichtquanten?" nicht näher gebracht. Natürlich bildet sich heute jeder Wicht ein, er wisse die Antwort. Doch da täuscht er sich." Albert Einstein Lichtquant = Photon © Dr. Rolf Piffer

Entstehung von Photonen Atom (Moleküle) hat Energie aufgenommen d.h. ein Elektron ist auf ein höheres Energieniveau angehoben worden + -> Elektron fällt in den stabilen energiearmen Zustand zurück Beispiel: Licht von angeregten Na-Atomen: -> Energie wird in Form von Photonen abgegeben © Dr. Rolf Piffer

Elektronische Energieniveaus Jedes Energieniveau kann nur mit maximal 2 Elektronen (e-) besetzt werden e- eines Niveaus haben gegensätzlichen Spin (Eigendrehung) E Atom (Molekül) im Grundzustand (GS): Höchstes mit e- besetzte Energieniveau: highest occupied molecular orbital (HOMO) Niedrigstes unbesetzte Energieniveau: lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) © Dr. Rolf Piffer

Elektronische Übergänge Atom (Molekül) hat vorher bereits Energie aufgenommen: ES GS Elektron im „angeregten Zustand“ (ES) © Dr. Rolf Piffer

Emission von Photonen Atom (Molekül) gibt Energie wieder als Strahlung ab: ES GS ES GS Elektron springt in den „Grund-Zustand“ (GS) zurück Photon mit genau der abgegeben Energie wird emittiert (E= h*f) -> hier grünes Licht, d.h. mittlere Energieportion © Dr. Rolf Piffer

Elektronische Übergänge Ein anderes Atom (Molekül) hat ebenfalls vorher Energie aufgenommen: GS ES -> ES hier viel energiereicher © Dr. Rolf Piffer

Emission von Photonen Atom (Molekül) gibt Energie wieder als Strahlung ab: GS ES GS ES Elektron springt in den „Grund-Zustand“ (GS) zurück Photon mit genau der abgegeben Energie wird emittiert -> hier blaues Licht, d.h. große Energieportion © Dr. Rolf Piffer

Absorption von Photonen Atom im elektronischen Grundzustand (Groundstate GS) GS ES Weißes Licht wird eingestrahlt (Rot, Grün und Blau) © Dr. Rolf Piffer

Absorption von Photonen Atom kann Energie der Photonen absorbieren: GS ES GS ES -> Nur dann, wenn E(Ph) = E(ES)-E(GS) -> Elektron auf höhere Energiestufe (Excited State ES) -> Nur ein Photon passender Energie wird absorbiert Grün wird geschwächt Rote und blaue Photonen gehen ungehindert durch © Dr. Rolf Piffer

Spektren nach Absorption Absorption von „grünen“ Photonen: z.B.: Absorption durch Mg-Atome: Weniger Photonen „grüner“ Farbe Wenn fast alle „grüne“ Photonen absorbiert werden: schwarze Linie im Spektrum © Dr. Rolf Piffer

Streuung von Photonen Aber Stopp! Die Atome geben doch wieder „grüne“ Photonen ab! ES GS ES GS Insgesamt genauso viele Photonen „grüner Farbe“ in die Probe hinein wie aus der Probe heraus Aber: Photonen werden auch in andere Richtungen abgegeben In der Einstrahlrichtung weniger grüne Photonen In Richtungen orthogonal dazu mehr grüne Photonen © Dr. Rolf Piffer

Farbe nach Absorption Absorption von „grünen“ Photonen Im Vergleich zum weißen Licht: Verhältnismäßig mehr rote und blaue Photonen entlang der Einstrahlrichtung Rot und blau addieren sich hinter der Probe zur Komplementärfarbe: d.h. Magenta bzw. Purpur (rot-blau) © Dr. Rolf Piffer

Die Farbe Schwarz Sehr viele mögliche Energieniveaus in bestimmten Molekülen: viele verschiedene Energie-Differenzen Absorption von Photonen vieler (aller) Frequenzen (Farben) möglich Farbe des Stoffes kann dann auch mal Schwarz sein © Dr. Rolf Piffer

Transmissions-Spektren Intensitätsverlauf der Lichtquelle: I0 Intensitätsverlauf hinter der durchstrahlten Probe: I1 (Transmission) Verhältnis von Intensitätsverlauf mit Probe (I1) zum Intensitätsverlauf ohne Probe (I0): T = 100%* I1/ I0 © Dr. Rolf Piffer

Spektren und Farben Farbe: rot Farbe: rot-blau, d.h. Purpur © Dr. Rolf Piffer

Spektren und Farben Farbe: grün Farbe: blau-grün d.h. Cyan © Dr. Rolf Piffer

Spektren und Farben Farbe: grün Farbe: rosa Rot mit wenig blau © Dr. Rolf Piffer