Welche Arten von Wechselwirkungen treten auf? Wie wirken sie sich aus? - Absorption
Fast alle Arten von Anregungsenergien auf molekularer Ebene und kleiner sind gequantelt. Das heißt, ein Molekül kann nicht irgendeine beliebige Energie besitzen, sondern nur die eines diskreten Energieniveaus E0,E1,...
Translationsenergie : nicht gequantelt, kontinuierliches Energiespektrum
Rotationsenergie : gequantelt
Schwingungsenergie : gequantelt
Veränderung der Ladungsverteilung : gequantelt
Graphik 1: schematische Darstellung von a) Energieniveaus und b) eines Absorptionslinienspektrums [Quelle: Petty, 2006]
zu a)
Die Absorption eines Lichtquants kann nur stattfinden, wenn dessen Energie E = hv genau so groß ist, um das Molekül vom Grundzustand E0 oder einem angeregten Zustand E1, E2,... auf ein höheres Niveau zu bringen.
Mit v = c/λ können also nur ganz bestimmte Wellenlängen absorbiert werden, um die Energiedifferenz zu erfüllen: λ = c/v = hc/ΔE.
zu b)
Die Darstellung des Absorptionsquerschnittes als Funktion über die Wellenlänge ergibt Absorptionslinienspektrum. Die Positionen der Linien ergeben sich aus den Energiedifferenzen der möglichen Übergänge. Die relativen Längen der Linien sind ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass die Absorption bei der jeweiligen Frequenz stattfindet.
Die Absorptionslinien sind in der Realität jedoch nicht so exakt voneinander abgegrenzt (a). Naheliegende Wellenlängen werden zum Teil auch mit absorbiert (b):
Graphik 2: a) ideales Absorptionslinienspektrum b) Absorptionslinienspektrum mit Verbreiterungseffekt [Quelle: Petty, 2006]
Durch diesen Verbreiterungseffekt können Lücken zwischen Absorptionslinien sogar vollständig geschlossen werden. Daher spielt dieser Effekt für die Durchlässigkeit der Atmosphäre eine wesentliche Rolle.
Graphik 3: schematisch dargestellte Energieniveaus
Ursachen der Verbreiterung:
- Heisenbergsche Unschärferelation (ein Molekül oder Elektron bleibt nur eine bestimmte Zeit in seinem angeregten Zustand; je länger das Teilchen auf dem höheren Energieniveau bleibt, desto geringer ist dessen Verbreiterung)
- Zusammenstöße von Molekülen (dadurch Veränderung der Energieniveaus)
- Dopplerverbreiterung durch den optischen Dopplereffekt (aufgrund der Bewegung der Atome und Moleküle)