Strahlung und materie in unterschiedlichen aggregatzust nden gas fl ssigkeit festk rper
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Strahlung und Materie in unterschiedlichen Aggregatzuständen: Gas, Flüssigkeit, Festkörper. Inhalt. Wechselwirkung zwischen Atomen und Infrarot-Strahlung Sichtbarem Licht Röntgenstrahlung. Kohärente Streuung.

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

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Presentation Transcript


Strahlung und materie in unterschiedlichen aggregatzust nden gas fl ssigkeit festk rper

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


Inhalt

Inhalt

Wechselwirkung zwischen Atomen und

  • Infrarot-Strahlung

  • Sichtbarem Licht

  • Röntgenstrahlung


Strahlung und materie in unterschiedlichen aggregatzust nden gas fl ssigkeit festk rper 1336667

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


Strahlung und materie in unterschiedlichen aggregatzust nden gas fl ssigkeit festk rper 1336667

380 nm

Violett

7,9 1014Hz

780 nm

rot

3,8 1014Hz

Frequenzbereiche der Oszillatoren: Giga-, Tera-Hertz und Infrarot

Technische Schwingkreise

Molekül-schwingungen

Valenz Elektronen

Innere Orbitale

Kern-reaktionen


Im infrarot bereich gibt es bei molek len

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 co 2 erste deformationsschwingung

Beispiel CO2, erste Deformationsschwingung


Anregung bei der raman spektroskopie

Anregung bei der Raman-Spektroskopie

  • Stoß der Photonen auf die Massen des Moleküls (Dipol) regen die Schwingung an

  • Elektrische Anregung: Kohärente und inkohärente Streuung


Strahlung und materie in unterschiedlichen aggregatzust nden gas fl ssigkeit festk rper 1336667

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)


Strahlung und materie in unterschiedlichen aggregatzust nden gas fl ssigkeit festk rper 1336667

380 nm

Violett

7,9 1014Hz

780 nm

rot

3,8 1014Hz

Frequenzbereiche der Oszillatoren: IR, Sichtbares Licht, Ultraviolett

Technische Schwingkreise

Molekül-schwingungen

Valenz Elektronen

Innere Orbitale

Kern-reaktionen


Wechselwirkung der strahlung im bereich des sichtbaren lichts mit

Wechselwirkung der Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts mit

  • Kohärente Schwingung der Elektronenhülle als Gesamtheit

  • Anregung von Valenzelektronen:

    • Abhängig von derKopplung an die Nachbarschaft, deshalb gibt es Unterschiede für

      • Freie Atome

      • Moleküle

      • Flüssigkeiten

      • Festkörper

        • Isolator, Halbleiter, Leiter, Supraleiter


Koh rente strahlung

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

1

2

3

Anregung von Valenz-Elektronen

Hα= 656 nm


Beispiele f r emission und absorption an freien atomen

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 erh hung

1 atm

5 10-6 atm

0,5 atm

200 atm

10 atm

50 atm

Verbreiterung der Emissionslinien von Hg-Gas bei Druck-Erhöhung

Zu wenig Stoß-Anregung bei zu niederem Druck

Linienverbreiterung durch starke Kopplung zwischen den Elektronen während des Übergangs

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 f r die emission eines 6000 k hei en festk rpers sonnenspektrum 6000 k

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 f r absorption an freien atomen

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 fl ssigkeit

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


Beispiel f r anregung in molek len in festk rpern und in fl ssiger phase

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 fl ssigkeit und festk rper bei anregung im bereich sichtbaren lichts

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


Strahlung und materie in unterschiedlichen aggregatzust nden gas fl ssigkeit festk rper 1336667

380 nm

Violett

7,9 1014Hz

780 nm

rot

3,8 1014Hz

Frequenzbereiche der Oszillatoren: Röntgenstrahlung

Technische Schwingkreise

Molekül-schwingungen

Valenz Elektronen

Innere Orbitale

Kern-reaktionen


Entstehung bei ionisation gr erer atome durch sto in der innersten schale

32

43

21

31

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

Bei Übergängen auf inneren Schalen liegen die Frequenzen im Röntgen-Bereich


Gas fl ssigkeit und festk rper bei anregung mit r ntgenstrahlung

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

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

43

21

31

finis

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


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