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

Inhalt Wechselwirkung zwischen Atomen und Infrarot-Strahlung Sichtbarem Licht Röntgenstrahlung

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

Frequenzbereiche der Oszillatoren: Giga-, Tera-Hertz und Infrarot Technische Schwingkreise Molekül-schwingungen Valenz Elektronen 380 nm Violett 7,9 1014Hz 780 nm rot 3,8 1014Hz Innere Orbitale Kern-reaktionen

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

Beispiel CO2, erste Deformationsschwingung

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

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 10-8 s)

Frequenzbereiche der Oszillatoren: IR, Sichtbares Licht, Ultraviolett Technische Schwingkreise Molekül-schwingungen Valenz Elektronen 380 nm Violett 7,9 1014Hz 780 nm rot 3,8 1014Hz Innere Orbitale Kern-reaktionen

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

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

Anregung von Valenz-Elektronen m Anregung 1 3 ca. 10-8 s Emission 2 656,1nm Hα = 656 nm 1 2 3

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

Verbreiterung der Emissionslinien von Hg-Gas bei Druck-Erhöhung Zu wenig Stoß-Anregung bei zu niederem Druck 5 10-6 atm 0,5 atm 1 atm Linienverbreiterung durch starke Kopplung zwischen den Elektronen während des Übergangs 10 atm 50 atm 200 atm Übergang nach der Anregung mit 6,5 eV im Frank-Hertz Versuch Kopplung durch Druck erzeugt neben den Linie der freien Atome neue Zustände mit benachbarten Frequenzen Quelle: http://www.lti.uni-karlsruhe.de/rd_download/Plasmastrahlungsquellen_20071207.pdf

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

Beispiele für Absorption an freien Atomen „Fraunhofer-Linien“: Absorptionslinien von Wasserstoff und anderen Gasen vor der „weißen“ Strahlung der Sonne (an der Oberfläche ca. 6000 K) Abbildung: „Fraunhofer-Linien“, Absorptionslinien im Sonnenspektrum. Quelle: Meyers Enzyklopädisches Lexikon

Wirkung der Kopplung: Vergleich der Spektren von Gas und Flüssigkeit C6H6 flüssig C6H6 gasförmig Die Verbreiterung der Linien in der Flüssigkeit durch die Kopplung zwischen den Molekülen ist klar zu erkennen

Farbstoffe, meist echte Lösungen Beispiel für Anregung in Molekülen in Festkörpern und in flüssiger Phase 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 CuSO4) 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)

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

Frequenzbereiche der Oszillatoren: Röntgenstrahlung Technische Schwingkreise Molekül-schwingungen Valenz Elektronen 380 nm Violett 7,9 1014Hz 780 nm rot 3,8 1014Hz Innere Orbitale Kern-reaktionen

Entstehung bei Ionisation größerer Atome durch Stoß in der innersten Schale 32 21 43 31 Die Zahlen stehen für die am Übergang beteiligten Nummern der Schalen (n, m), die griechischen Indizes Bei Übergängen auf inneren Schalen liegen die Frequenzen im Röntgen-Bereich

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

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: Durch Kopplung Verbreiterung, „Feinstruktur“ der Linien des freien Atoms Schwingungs-Spektren zeigen die Kopplung der elektromagnetischen Welle an mechanische Schwingungen 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

finis 32 21 43 31 Die Zahlen stehen für die am Übergang beteiligten Nummern der Schalen (n, m), die griechischen Indizes Bei Übergängen auf inneren Schalen liegen die Frequenzen im Röntgen-Bereich