Wechselwirkung von EM-Strahlung mit Materie

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Absorption und Emission von Strahlung

In den vorigen beiden Abschnitten haben wir die Grundeigenschaften der elektromagnetischen Strahlung kennengelernt, die bei der Wechselwirkung mit Materie von Bedeutung sind. Der wichtigste ist, dass jede Art von elektromagnetischer Strahlung nur in ganzen Energiepaketchen (Quanten) abgestrahlt oder absorbiert werden kann. Dabei können einerseits nur einzelne Elektronen oder einzelne Atomkerne involviert sein, aber auch sehr komplexe Molekülsysteme oder Festkörperstrukturen.


A emittiert ein Strahlungsquant in Richtung B, das kurze Zeit später von B absorbiert wird.

Einfach formuliert passiert dabei folgendes: Wenn A ein Strahlungsquant emittiert, verliert es die Energiemenge, die vom Strahlungsquant mitgenommen wird. Wenn das Strahlungsquant nachher von B absorbiert wird, bekommt B diese Energiemenge dazu. Das Strahlungsquant fungiert somit als ein Energieübertragungsmittel. Auf diese Weise bekommt die Erde auch ihre Energie von der Sonne. Immense Mengen von Strahlungsquanten werden jede Sekunde von der Sonne ausgesandt. Nur ein sehr kleiner Teil davon wird von der Erde aufgefangen. Dieser reicht aber aus, um die Erdtemperatur in einem Bereich zu halten, in dem Leben möglich ist.

Auf atomarem Niveau ist gut darstellbar, wie Absorption und Emission im Detail stattfinden. Atome bestehen aus einem Kern mit Elektronen, die sich um den Kern drehen und dadurch eine Art Elektronenwolke bilden. Die Elektronen befinden sich in Bahnen (auch Schalen genannt), die eine bestimmte Energie besitzen. Dabei kann jede Bahn nur eine festgelegte Zahl von Elektronen enthalten. Atome können Energie aufnehmen (nennt man in der Physik: angeregt werden), indem ein Elektron von einer Bahn in eine höhere (d.h. entferntere, energiereichere) Bahn angehoben wird. Die Elektronenbahnen unterschiedlicher Atomsorten haben unterschiedliche Energieinhalte mit unterschiedlichen Energiesprüngen zwischen den Bahnen. Wenn die Energie des auftreffenden Strahlungsquants gerade zur Energiedifferenz zwischen zwei Elektronenbahnen passt, kann es aufgenommen werden, wobei ein Elektron in eine höhere Bahn angehoben wird. Der Vorgang ist in der untenstehenden Bildfolge dargestellt.

In allen Stoffen (gasförmig, flüssig oder fest) sind solche Vorgänge beobachtbar, weil sie alle auf der Existenz unterschiedlicher Energiezustände beruhen, wobei die beteiligen Elektronen in flüssigen und festen Stoffen sehr komplexe Bahnen einnehmen können.


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Referenzen

Bücher

[Kiontke 2006] Kiontke, S.K.
Physik biologischer Systeme
Eigenverlag München, 2006