Elektromagnetische Strahlung (EMS)- ChemgaPrint -

Kurs-Nr.: 122980

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Kurs-Nr.: 122980 Elektromagnetische Strahlung (EMS)

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Inhaltsverzeichnis1. Strahlung .................................................................................................................................... 1

2. Elektromagnetische Strahlung .................................................................................................... 1

3. Elektromagnetisches Spektrum .................................................................................................. 2

4. Der sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums: Licht ............................................ 3

5. Das Photon und die Energie von elektromagnetischer Strahlung .............................................. 4

6. Übungsaufgaben zu den Grundlagen der Strahlung .................................................................. 5

Elektromagnetische Strahlung (EMS) Kurs-Nr.: 122980

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Elektromagnetische Strahlung (EMS)Es werden die Begriffe Strahlung und elektromagnetische Strahlung, Licht und elektromagnetisches Spektrumerklärt. Ferner werden die Zusammenhänge von Wellenzahl, Wellenlänge und Frequenz sowie der Welle-Teilchen-Dualismus und das Photon beschrieben. [Stand: Oktober 2011]

Lernziele• Definition von Strahlung und elektromagnetischer Strahlung

• Welle-Teilchen-Dualismus

• Wellenlänge, Wellenzahl und Frequenz

• elektromagnetisches Spektrum

• Licht - sichtbarer Bereich des Spektrums

• Energiequantelung (Photon)

EinstufungFachgebiet: Physik / Optik / WellenoptikBearbeitungszeit: 30 minSchwierigkeitsgrad (Hochschule): leichtSchwierigkeitsgrad (Ausbildung): mittelSchwierigkeitsgrad (Schule): mittel

Vorkenntnisse• Grundlagen der Wellenlehre

SchlüsselworteStrahlung, Strahl, elektromagnetische Strahlung, elektromagnetisches Spektrum, Licht, Welle-Teilchen-Dualismus, Teilchenstrahlung, Wellenstrahlung, Photon, Lichtgeschwindigkeit, Wellenlänge, Wellenzahl,monochromatisch, polychromatisch, Komplementärfarben, Relativitätstheorie, Energie

Autoren• Dominik Sollmann

• Prof. Dr. Guenter Gauglitz

• Dr. Heidi Löbert

Online: http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/26/eam/organische_photovoltaik/elektromagnetische_strahlung/elektromagnetische_strahlung.vlu.html

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1. StrahlungBreitet sich Energie gerichtet, zeitlich und räumlich aus, spricht man von Strahlung. Der Energietransport kanndurch Teilchen erfolgen (Teilchen-, Korpuskel-, Partikelstrahlung). Dies ist der Fall bei der Alphastrahlung,die aus hochenergetischen Helium-Kernen besteht (Abb. 1). Wenn die Strahlungsteilchen Masse, Ladung oderandere Eigenschaften besitzen, werden auch diese transportiert. Energie kann sich aber auch in Form von Wellenausbreiten (Wellenstrahlung) wie beim Schall, bei dem sich Dichteschwankungen durch Materie fortpflanzen(Abb. 2).

Abb.1 Beispiel für Teilchenstrahlung: Alphastrahlung Abb.2 Beispiel für Wellenstrahlung: Schall

Uran-238 ist instabil. Es zerfällt in ein Thorium-234-Atom undein hochenergetisches Helium-Atom. Solche abgesondertenHelium-Atome bezeichnet man als Alphastrahlung. Auch beiBetastrahlung (Elektronen) handelt es sich um Teilchenstrahlung.

Der Versuch zeigt, dass Schall eine longitudinale Welle ist.Durch den Schlag auf das Tamburin kommt es zu kurzzeitigenVerdichtungen der Luftmoleküle hinter dem Trommelfell. DieDichteschwankung breitet sich kugelförmig im Raum aus.Erreicht die Energie das Trommelfell des zweiten Tamburins,wird der dort angebrachte Ball in Bewegung versetzt.

Die historische Debatte, ob Lichtstrahlen aus Teilchen oder Wellen bestehen, wurde in der Quantentheorie sobeantwortet: Sie bestehen aus Photonen (Teilchen), die Welleneigenschaften (beispielsweise Interferenz) zeigen.Verallgemeinernd kann man aus der Quantenphysik begründen, dass alle Strahlungen sowohl Teilchen- als auchWellencharakter haben müssen. Dies wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet.

DefinitionStrahlung ist ein gerichteter, zeitlicher und räumlicher Energietransport in Form von Wellen und/oder Teilchen. Strahlung transportiert immer Energie und Impuls (d.h. sie hat eine ausgezeichneteRichtung).

Der Begriff Strahl ist eher unscharf und nicht streng definiert. So gibt es einen Wasserstrahl, aber keineWasserstrahlung. Auf der anderen Seite gibt es sowohl einen Lichtstrahl als auch Lichtstrahlung. Sprichtman von Materie, die sich strahlenartig ausbreitet, ist ein Teilchen- oder Materiefluss gemeint, keineMateriestrahlung.

2. Elektromagnetische StrahlungIn der Chemie kommt der elektromagnetischen Strahlung besondere Bedeutung zu. Sie kann Molekülein Rotationen und Schwingungen versetzen oder Elektronen aus ihren Umlaufbahnen um die Atomkerne"schießen". Zur elektromagnetischen Strahlung zählen Wellen aus Rundfunk und Fernsehen, Licht, Röntgen-und Gammastrahlung oder Wärmestrahlung. Sie alle lassen sich auf die gleiche physikalische Strukturzurückführen.Elektromagnetische Strahlung breitet sich normalerweise geradlinig aus - ohne einen materiellen Träger. ImVakuum beträgt ihre Geschwindigkeit . Sie wird als Lichtgeschwindigkeitbezeichnet.

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Strahlung als WelleJeden periodisch wiederkehrenden Vorgang bezeichnet man als Schwingung. Die einfachste Schwingungsformist die reine Sinus-Schwingung, die sogenannte harmonische Schwingung. Ihre Eigenschaften gelten sowohl fürmechanische Schwingungen als auch für elektromagnetische Strahlung. Solche Schwingungen werden durch dieGrößen beschrieben, die in Tab. 1 angegeben sind.

Größe Symbol Einheit Bedeutung

Wellenlänge Länge einer Welle

Wellenzahl Anzahl der Wellenpro

Frequenz Anzahl derSchwingungen proSekunde

Tab.1 Wichtige Größen und Einheiten in derSchwingungsspektroskopieDiese Größen werden auf folgende Weise miteinander verknüpft:

(1)

Zur Beschreibung einer elektromagnetischen Welle werden die Wellenlänge (bzw. die Wellenzahl oderFrequenz) und die Amplitude angegeben. Wie sich eine Änderung dieser beiden Größen auf die Formeiner Welle auswirkt, kann man in Abb. 3 ausprobieren. Wird eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich (Licht)gewählt, wird die Welle nicht schwarz, sondern mit ihrer charakteristischen Farbe angezeigt.

Abb.3 Form einer Sinusschwingung in Abhängigkeit der Wellenlänge (bzw. Wellenzahl) und Amplitude

Mono- und polychromatische StrahlungSetzt sich elektromagnetische Strahlung lediglich aus Wellen gleicher Frequenz zusammen, nennt man siemonochromatische Strahlung. In polychromatischer Strahlung sind Wellen mit unterschiedlicher Frequenzvertreten.

3. Elektromagnetisches Spektrum

Elektromagnetische Strahlung erstreckt sich über einen Frequenzbereich von (Wechselströme) bis (kosmische Strahlung). Die Energie einer Mikrowelle reicht gerade dazu aus, um ein Molekül in

Rotation zu versetzen. Dahingegen kann man mit der energiereichen Gammastrahlung Atomkerne spalten.Zur besseren Unterscheidung dieser verschiedenen Eigenschaften der unterschiedlichen elektromagnetischenStrahlungen, unterteilt man diese im elektromagnetischen Spektrum (Abb. 4) entsprechend ihrer Energie inverschiedene Spektralbereiche.

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Abb.4 Ausschnitt des elektromagnetischen SpektrumsKlicken Sie auf die farbigen Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, um zu erfahren, was die betreffende Strahlung bewirken kann.

Die Übergänge zwischen den Bereichen des elektromagnetischen Spektrums sind fließend. So geht das sichtbareLicht für den Menschen im Blauen bis zu einer Wellenlänge von etwa , bei Bienen ist es um ins Ultraviolette (UV) verschoben. Um solche Missverständnisse zu vermeiden, sind die Bereiche nach DIN5031-71) klar definiert.

4. Der sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums:LichtUrsprünglich verstand man unter dem Begriff Spektrum nicht das gesamte elektromagnetische Spektrum,sondern nur das Farbband, das entsteht, wenn weißes Licht (z.B. Sonnenlicht) durch einen Spalt auf ein Prismaoder Gitter fällt und entsprechend seiner unterschiedlichen Wellenlängen verschieden stark abgelenkt wird (Abb.5).Der Spektralbereich, für den das menschliche Auge empfindlich ist, liegt zwischen und und wird(sichtbares) Licht genannt. Besonders in der Spektroskopie wird er oft mit vis - von englisch visible "sichtbar"abgekürzt. Alle Körper, die Strahlung aus diesem Bereich aufnehmen (absorbieren) oder abgeben (emittieren),sieht ein gesunder Mensch farbig (Abb. 6).

Abb.5 Normale Dispersion durch ein Prisma - oben rötlicher, untenbläulicher Farbverlauf des austretenden Strahls

Abb.6 Elektromagnetisches Spektrum

Der Sinneseindruck weiß bedeutet, dass unser Auge polychromatische Strahlung aller Wellenlängen dessichtbaren Bereichs empfängt. Sehen wir einen Körper schwarz, absorbiert er die elektromagnetische Strahlungmindestens im Bereich zwischen und .1) DIN 5031-7: 1984-01, Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche

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Ein Farbeindruck entsteht erst, wenn der betrachtete Körper bestimmte Wellenlängen absorbiert und nur denRest aus dem Spektrum reflektiert oder durchlässt. Da jeder Wellenlänge eine Farbe zugeordnet ist, siehtunser Auge in diesem Fall nicht mehr weiß, sondern die Farbe des Restlichtes. Solche Farbpaare nennt manKomplementärfarben (z.B. Rot-Türkis, Blau-Gelb, Grün-Violett). Strahlt etwa weißes Licht auf einen Körper,der rotes Licht absorbiert, erscheint der Farbeindruck des Lichts, das vom Körper reflektiert wird, für unser Augetürkis.

5. Das Photon und die Energie von elektromagnetischer StrahlungDer Thermodynamiker Max Planck stellte die heute allgemein akzeptierte Hypothese auf, dass man sichelektromagnetische Strahlung einer bestimmten Frequenz als einen Strom von Teilchen - den Photonen -vorstellen kann, die alle die gleiche Energie tragen:

(2)

Die Energie wird in der Einheit Joule ( ) angegeben. ist das Planck'sche Wirkungsquantum, das zur Gruppeder Fundamentalkonstanten zählt.Die Energie der elektromagnetischen Strahlung (gegebener Frequenz) darf also nur bestimmte diskrete(abgegrenzte, getrennte) Werte annehmen. Ein Puls von elektromagnetischer Strahlung mit gegebenerFrequenz kann nicht jede beliebige Menge an Energie beinhalten, sondern nur ein ganzzahliges Vielfaches von

, also

Abb.7 Auch Sonnenstrahlung kann man sich aus Photonen zusammengesetzt vorstellen. Diese besitzen allerdings unterschiedlicheWellenzahlen.

Die Abhängigkeit der Energie von der Wellenlänge, Wellenzahl undFrequenzAus Gleichung (2) folgt, dass elektromagnetische Strahlung direkt proportional zu ihrer Frequenz ist: Je höherdie Frequenz der Strahlung ist, desto größer ist ihre Energie.Entsprechend der Gleichung:

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und Gleichung (2) ist die Energie auch direkt proportional zur Wellenzahl:(4)

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und umgekehrt proportional zur Wellenlänge:(5)

So folgt außerdem: Je größer die Wellenzahl der Strahlung ist, desto größer ist ihre Energie und je größerdie Wellenlänge der Strahlung, desto geringer ist ihre Energie.

Die Masse eines PhotonsLaut Albert Einsteins spezieller Relativitätstheorie hat jedes Photon auch eine Masse. Diese ergibt sich nachseiner Masse-Energie-Gleichung zu:

(6)

Im Gegensatz zu Elektronen, die alle die gleiche Masse besitzen, variiert die Masse von Photonen mit ihrerEnergie.

6. Übungsaufgaben zu den Grundlagen der StrahlungAufgabe 1:Bitte vervollständigen Sie den folgenden Satz: Je größer die Wellenzahl elektromagnetischer Strahlung ist, ...

... desto geringer ist ihre Energie.

... desto größer ist ihre Energie.

... ändert nichts an ihrer Energie.

Aufgabe 2:Aus wie vielen Photonen besteht ein grüner Laserpuls mit einer Wellenlänge von , der eine Energie von

besitzt?

Aus rund Photonen.

Aus rund Photonen.

Aus rund Photonen.

Aus rund Photonen.HilfeSie benötigen folgenden mathematischen Gleichung für die Rechnung:

(7)

(8)

Denken Sie daran, dass die Energie eines Lichtpulses nur ganzzahlige Vielfache von annehmen kann.HilfeDie Anzahl der Photonen berechnet sich wie folgt:

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