Die Sonne, sie bringt Leben und kann es zerstören: Unterschied zwischen den Versionen

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(Arten von Elektromagnetischer Strahlung)
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[[Datei:Transmission.svg|thumb|Prinzip einer Transmissions-Messung]]Eine der am häufigsten eingesetzten Methoden zum Erstellen eines Infrarot-Spektrum ist die Messung der Transmission einer Probe. Dazu wird eine Probe mit Infrarotlicht bestrahlt und der Anteil der Messstrahlung gemessen, der die Probe durchdringt. Besitzt der in der Probe enthaltene Stoff Bindungen oder Molekülgruppen die Energie aus dem Infrarot-Bereich absorbieren, so sind im Transmissionsspektrum Bereiche zu sehen, bei denen die Intensität der Strahlung im Vergleich zum eingestrahlten Licht reduziert wurde. Das sind die sogenannten '''Absorptionsbanden'''. Die Intensität der Absorption hängt auch noch von der Probendicke ab. Zusätzlich wird auch noch ein Teil der Strahlung reflektiert, so das sich über das gesamte Spektrum die Transmission verringert, was aber, da es überall gleichmäßig stattfindet, ausgeglichen werden kann.
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* [http://www.uni-stuttgart.de/ochem/lehre/praktika/2011/2011wise/2011wise-umwa/Handout_IR_6.pdf Handbuch mit Tabellen und Anleitungen]
 
* [http://www.uni-stuttgart.de/ochem/lehre/praktika/2011/2011wise/2011wise-umwa/Handout_IR_6.pdf Handbuch mit Tabellen und Anleitungen]
* Beispiel-Spektren zum Üben:
 
** https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ethanol_IR_Spectrum.png
 
** https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spectre_IR_cyclohexane.png
 
** https://commons.wikimedia.org/wiki/File:IR_polystyrol_mrtz.png
 
** https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ATR_FTIR_of_Hexane.png
 
** https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dichloromethane_near_IR_spectrum.png
 
  
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<gallery widths=300 heights=200 caption="Beispiel-Spektren zum Üben">
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File:Spectre_IR_cyclohexane.png|Stoff 1
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File:IR_polystyrol_mrtz.png|Stoff 2
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File:ATR_FTIR_of_Hexane.png|Stoff 3
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File:Dichloromethane_near_IR_spectrum.png|Stoff 4
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Version vom 3. Dezember 2016, 09:51 Uhr

Inhaltsverzeichnis

Arten von Elektromagnetischer Strahlung

Das blaue Magnetfeld und das rote elektrische Feld bewegen sich so fort, dass beide zueinander und zur Ausbreitungsrichtung im rechten Winkel stehen.

Als elektromagnetische Welle bezeichnet man eine Welle aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern. Beispiele für elektromagnetische Wellen sind Radiowellen, Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Anders als zum Beispiel Schallwellen benötigen elektromagnetische Wellen kein Medium, um sich auszubreiten. Sie bewegen sich im Vakuum unabhängig von ihrer Frequenz mit Lichtgeschwindigkeit fort.


Elektromagnetische Wellen sind im elektromagnetischen Spektrum nach der Wellenlänge eingeteilt. Der am besten bekannte und am meisten studierte Frequenzbereich elektromagnetischer Wellen ist das sichtbare Licht. Es stellt nur einen winzigen Teil des gesamten Spektrums dar und ist, mit Ausnahme der Infrarotstrahlung (Wärme), der einzige Bereich, der von Menschen ohne technische Hilfsmittel wahrgenommen werden kann.

Electromagnetic spectrum -de c.svg


Die Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit Materie hängt von ihrer Frequenz ab, die über viele Größenordnungen variieren kann. Je höher die Frequenz desto energiereicher ist die Strahlung.


Die Frequenz f eines sich regelmäßig wiederholenden Vorgangs ist definiert als der Kehrwert der Dauer T eines Durchgangs (der periode)
f = \frac{1}{T}

Bei elektromagnetischen Wellen ist die Frequenz über die Lichtgeschwindigkeit c mit ihrer Wellenlänge \lambda verknüpft:

f = \frac {c}{ \lambda}.


Bei niedrigeren Frequenzen ist die Energie der Photonen zu gering, um chemische Prozesse auslösen zu können. Bei höheren Frequenzen hingegen beginnt der Bereich der ionisierenden Strahlung (Radioaktivität), bei der ein einziges Photon Moleküle zerstören kann. Erreicht oder übersteigt die Energie von Photonen die Bindungsenergie eines Moleküls, kann jedes Photon ein Molekül zerstören und es können biologische Wirkungen wie beispielsweise eine beschleunigte Alterung der Haut oder Hautkrebs auftreten.

Strahlung in verschiedenen Frequenzen und deren Energiegehalt.svg

Wie wirkt sich die Strahlung aus?

Betrachten wir zunächst einmal allgemein was passiert, wenn etwas von Strahlung "getroffen" wird:

Allgemeine Auswirkung von EM-Strahlung mit Absorption und Emmision.svg

Je nachdem, wie stark die zugeführte Energiemenge ist, kann das zu unterschiedlichen Auswirkungen führen. Dabei ist bei der zugeführten Energiemenge nicht nur die maximale Energiemenge zu betrachten, denn es treten immer auch Effekte auch, die weniger Energie benötigen. Denn um ein Elektron zum Beispiel auf ein höheres Energieniveau zu heben, muss die Strahlung auch das Elektron treffen!


Betrachtung der einzelnen Strahlungsarten und deren Wirkung auf Materie

  • Hinweis: schaut euch die Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite für Maßeinheiten Vorsätze für Maßeinheiten  an, damit ihr wisst, um welche Größenordnungen es sich handelt.
  • Die Energieeinheit eV, was sie bedeutet ... Ein typisches Molekül in der Erdatmosphäre hat eine Bewegungsenergie (thermische Energie) von etwa 0,03 eV. Im LHC am CERN ist geplant, Protonen mit einer Energie von 6,5 TeV und Bleikerne mit 574 TeV miteinander kollidieren zu lassen, bei den Protonen wurde dieser Wert bereits erreicht. Die Energie eines einzelnen Kerns mit ist immer noch sehr gering. Berücksichtigt man aber die große Anzahl der Teilchen (1,15 · 1011 Protonen pro Teilchenpaket und bis zu 2808 Teilchenpakete pro Richtung), erhält man als Gesamtenergie der im Ring befindlichen Protonen 720 MJ, dies entspricht grob der kinetischen Energie eines startenden großen Flugzeugs.

Radiowellen

Beispiel technischer Nutzung von Radiowellen: ein niederfrequentes Nutzsignal (oben) wird auf eine Radiowelle amplituden-(Mitte) oder frequenzmoduliert (unten)
Typ Wellenlänge Frequenz Energieinhalt Wirkung auf Materie Sonstige Eigenschaften
z.B. Radiowellen 10 m und mehr 300 MHz bis 3 Hz weniger als 2,0 × 10−26 J = 120 neV keine Wird sehr gut reflektiert

Für die langweilligen Radiowellen, die recht wenig Energie enthalten, ist das meiste Material quasi unsichtbar. Sie passiert fast alle Arten von Materie, ohne diese zu beeinflussen. Deshalb kann man auch in geschlossenen Räumen Radio hören. Besonders lange Radiowellen werden vor allem für Signale verwendet, die eine besonders lange Reichweite haben. UKW-Radiowellen dagegen werden besonders gut an atmosphärischen Schichten reflektiert.

Die Begriffe Funkwellen und Rundfunk gehen übrigens darauf zurück, dass erste Übertragungsversuche mithilfe von Funkenentladung an Hochspannungserzeugern gemacht wurden.

Mikrowellen

Typ Wellenlänge Frequenz Energieinhalt Wirkung auf Materie Sonstige Eigenschaften
Mikrowellen 1 m bis 1 mm 300 MHz bis 300 GHz zwischen zwischen 1,2 µeV und 130 µeV Rotation der Moleküle ...
Wirkung von Mikrowellenstrahlung in Energiediagramm.svg

Mikrowellen kommen in der Radartechnik, im Mikrowellenherd, drahtlosen Kommunikationssystemen (Mobilfunk, Bluetooth, Satellitenrundfunk, WLAN, Amateurfunk) oder Sensorsystemen (zum Beispiel Radar oder das Mikrowellen-Resonatorverfahren) zum Einsatz. An einer Verwendung als Strahlenwaffe wird gearbeitet. Der Mikrowellenbereich ist eingeteilt in Frequenzbänder, die oft zweckgebunden für bestimmte Anwendungen reserviert sind. So befinden sich dort mehrere Amateurfunkbänder, unter anderem zwischen 1240 und 1300 MHz das 23-Zentimeter-Band, zwischen 2320 und 2450 MHz das 13-Zentimeter-Band und zwischen 10 und 10,5 GHz das 3-Zentimeter-Band.

X Aufgrund ihrer Wellenlänge sind Mikrowellen besonders zum Anregen von Schwingungen von Molekülen geeignet. Besonders anschaulich ist dieser Effekt bei der Schwingungsanregung von Wassermolekülen im Mikrowellenherd. Die Erwärmung von Wasser beruht nicht auf der Absorption bei einer bestimmten Resonanzfrequenz, sondern die Wassermoleküle als Dipole versuchen sich laufend nach dem elektromagnetischen Wechselfeld auszurichten, wobei als Nebeneffekt Wärme entsteht.

Die Wechselwirkung mit Materie (außer mit metallischen Leitern) verursacht Rotation der Moleküle und somit Wärme, infolge der Bewegung der Moleküle.Elektrische Leiter absorbieren Mikrowellen und Strahlung niedriger Frequenzen, da elektrische Ströme (die das Material aufheizen) erzeugt werden. Die meisten Materialien, den menschlichen Körper eingeschlossen, sind größtenteils transparent für Mikrowellen.

Infrarostrahlung

Typ Wellenlänge Frequenz Energieinhalt Wirkung auf Materie Sonstige Eigenschaften
Infrarotstrahlung 50 µm bis 3 µm 300 GHz bis 385 THz zwischen zwischen 1,2 meV und 500meV bei Adsorption kommt es zu mechanischen Schwingungen im Molekül ...
Wirkung von Infrarotstrahlung in Energiediagramm.svg

In anorganischen und organischen Verbindungen treten bei Absorption von Strahlung aus dem infraroten Bereich mechanische Schwingungen auf. Man unterscheidet zwei verschiedene Arten:

  • Valenzschwingungen (Streckschwingungen): Schwingungen entlang der Bindungsachse zweier Atome oder Molekülteile durch eine Dehnung oder Stauchung der Bindung
  • Deformationsschwingungen: Schwingungen unter der Deformation des Bindungswinkels



Da Molekülschwingungen bestimmter Atomgruppen im Bereich von Wellenlängen von 4000–1500 cm−1 besonders charakteristisch sind, eignet sich die IR-Spektroskopie zur Bestimmung der funktionellen Gruppen in organischen Molekülen. Die folgende Tabelle zeigt ein paar Beispiele:


Beispiele Valenzschwingungen bei typischen Gruppierungen
Wellenzahl in cm−1 Molekülgruppe Beispielmaterialien Intensität für die Beispielmaterialien
3200…3750 –O–H bei Alkoholen, Wasser stark, breit
3300 ≡C–H Alkine stark
2800…3000 –C–H Kohlenwasserstoffe, –CH3, –CH2 stark
2500…3000 –O–H bei Carbonsäuren stark
2150…2260 –C≡C Alkine variierend
1670…1800 –C=O Carbonyl-Verbindungen (Ketone, …) stark
1640…1680 –C=C Alkene mittel
1100 –C–O–C– Ether stark
1000…1150 –C–O Alkohole stark
1000…1400 –C–F Fluoralkane stark
600…800 –C–Cl Chloralkane stark
500…600 –C–Br Bromalkane stark
500 –C–I Iodalkane stark
IR-Sepktroskopie

Die Auswertung Infrarot-Spektren ist eine typische Übung, die einem als Chemie-Student im Grundstudium im Rahmen der Veranstaltungen rund um die Organische Chemie erwartet. Man bedient zwar die Geräte selber nicht, übt aber das Erkennen und geht dabei nebenbei mit Strukturen von Organischen Molekülen um.

Diese "Trockenübungen" kann man natürlich auch in der Schule durchführen.

Technische Hintergründe
Prinzip einer Transmissions-Messung
Eine der am häufigsten eingesetzten Methoden zum Erstellen eines Infrarot-Spektrum ist die Messung der Transmission einer Probe. Dazu wird eine Probe mit Infrarotlicht bestrahlt und der Anteil der Messstrahlung gemessen, der die Probe durchdringt. Besitzt der in der Probe enthaltene Stoff Bindungen oder Molekülgruppen die Energie aus dem Infrarot-Bereich absorbieren, so sind im Transmissionsspektrum Bereiche zu sehen, bei denen die Intensität der Strahlung im Vergleich zum eingestrahlten Licht reduziert wurde. Das sind die sogenannten Absorptionsbanden. Die Intensität der Absorption hängt auch noch von der Probendicke ab. Zusätzlich wird auch noch ein Teil der Strahlung reflektiert, so das sich über das gesamte Spektrum die Transmission verringert, was aber, da es überall gleichmäßig stattfindet, ausgeglichen werden kann.


Auswertung eines IR Spektrums

Das folgende Beispiel zeigt ein Transmissions-IR-Spektrum von Ethanol.

600px

Bei der Auswertung wird nun abgelesen, bei welcher Frequenzbereich man eine Absorptionsbande hat und kann dann mit Hilfe einer Liste ablesen, welche Bindung oder Gruppierung in Frage kommt.



Licht

Typ Wellenlänge Frequenz Energieinhalt Wirkung auf Materie Sonstige Eigenschaften
Licht 780 nm bis 380 nm 385 THz bis 789 THz zwischen zwischen 1,6 eV und 2,9 eV (= 4,6 × 10−19 J) bei Adsorption kommt es zur Anregung von Elektronen in höhere Schalen ...
Wirkung von Sichtbarem Licht und UV-Strahlung in Energiediagramm.svg

Der hauptsächlich auftretende Mechanismus für die Absorption von Photonen des sichtbaren Lichts ist die Anregung von Elektronen in höhere Energiezustände. Da es viele passende Zustände gibt, wird Licht im hohen Maße absorbiert.

UV-Strahlung

Typ Wellenlänge Frequenz Energieinhalt Wirkung auf Materie Sonstige Eigenschaften
UV-Strahlung 1 nm bis 380 nm 789 THz bis 300 PHz zwischen zwischen 3,3 und 1000 eV bei Adsorption kommt es zur Anregung von Elektronen in höhere Schalen oder gar zur Ionisation ...

Das nahe Ultraviolett wird in den oberen Hautschichten durch Elektronenübergänge sehr stark absorbiert. Bei höheren Energien wird die Ionisationsenergie vieler Moleküle erreicht und der gefährlichere Prozess der Photoionisation setzt ein.

Bei der biologischen Wirkung unterscheidet man noch folgende Bereiche:

Bereich Wellenlänge Biologische Wirkung
UV-A 315–380 nm

Lange Wellen gelangen bis zur Lederhaut und bewirken

  • direkte Pigmentierung (Konformationsänderung des Melanins) – nur Stunden anhaltende, kurzfristige Bräune, kaum Lichtschutz;
  • Schädigung der Kollagene – die Haut verliert Spannkraft und altert frühzeitig;
  • hohes Melanomrisiko durch Bildung freier Radikale
  • sind jedoch gering Sonnenbrand erzeugend.
UV-B 280–315 nm

Kurze Wellen

  • bewirken in der Oberhaut ca. 72 Stunden verzögert Bildung von Melanin – indirekte Pigmentierung, verzögerte, langfristige Bräunung (vgl. Hautfarbe) mit echtem Lichtschutz;
  • dringen weniger tief ein als UV-A, aber mit starken Sonnenbrand
  • führen zur Bildung des Vitamin D3 in der Haut.
  • UVB-Strahlen besitzen die stärkste kanzerogene Wirkung für die Entstehung von Basalzellkarzinomen und Plattenepithelkarzinomen.
UV-C 100–280 nm Sehr kurzwellig, gelangt nicht bis zur Erdoberfläche, Absorption durch die obersten Luftschichten der Erdatmosphäre, unterhalb etwa 200 nm durch Photolyse des Luftsauerstoffs ozongenerierend.
DNA UV mutation.svg
Ultraviolettstrahlung wird vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen, da sie schon vorher komplett von der Augenlinse absorbiert wird. Dabei liegt der Übergang von Violett zu Ultraviolett individuell bedingt fließend. Patienten, die nach Unfällen oder chirurgischen Eingriffen ihre Linsen verloren hatten, beschrieben UV-Licht als weißliches, „milchiges“ Blau-Violett.

UV-Strahlung vermag organische Bindungen zu spalten und ist einerseits durch Zerstörung biogener Substanz lebensfeindlich. Andererseits kann die Vernetzung von Monomeren durch energiereiche UV-Strahlung initiiert werden. Viele Kunststoffe werden durch Ultraviolettstrahlung geschädigt (Trübung, Versprödung, Zerfall).

Sauerstoff wird durch kurzwellige UV-Strahlung unterhalb 200 nm in atomaren Sauerstoff gespalten und es kommt zur Bildung von Ozon – einem aufgrund dessen Geruchs charakteristischen Merkmal der Wechselwirkung von UV-Strahlung mit Luft – und einer Vielzahl anderer Folgereaktionen, wie sie sich in der Ozonschicht abspielen. Die Ozonschicht schützt durch Absorptionsreaktion die Erdoberfläche vor harter (kurzwelliger) UV-Strahlung der Sonne und ermöglicht so das Vorhandensein von Leben.

Schwarzlicht ist die umgangssprachliche Bezeichnung für UV-A-Strahlung, die durch Niederdruck-Gasentladungslampen erzeugt wird. Diese sind mit speziellen Leuchtstoffen ausgerüstet, um Ultraviolettstrahlung bei 350 nm oder 370 nm ohne einen Anteil an sichtbarem Licht abzugeben. „Schwarzlicht“ wird oft für Showeffekte in abgedunkelten Räumen eingesetzt, wie Diskotheken, bei Zauberveranstaltungen oder auch für Schwarzlichttheater. Die Strahlung regt fluoreszierende Stoffe zum Leuchten an, wie dies bei Textilien, Papieren, künstlichen Zähnen und anderen Materialien mit optischen Aufhellern auffällt.

Röntgenstrahlung

Typ Wellenlänge Frequenz Energieinhalt Wirkung auf Materie Sonstige Eigenschaften
Röntgenstrahlung 1 nm bis 10 pm 300 PHz bis 30 Ehz größer als 1 keV bei Adsorption kommt es zur Anregung von Elektronen in höhere Schalen oder gar zur Ionisation ...
Wirkung von Roentgen-Strahlung in Energiediagramm.svg

Röntgenstrahlung kann Materie durchdringen. Sie wird dabei je nach Stoffart unterschiedlich stark geschwächt. Die Schwächung der Röntgenstrahlen ist der wichtigste Faktor bei der radiologischen Bilderzeugung. Bei der Photoabsorption schlägt das Photon ein Elektron aus der Elektronenhülle eines Atoms. Dafür ist je nach Elektronenschale eine bestimmte Mindestenergie notwendig. Röntgenstrahlung ist deshalb auch ionisierend. Sie kann dadurch Veränderungen im lebenden Organismus hervorrufen und Schäden bis hin zu Krebs verursachen. Deshalb ist beim Umgang mit der Strahlung der Strahlenschutz zu beachten.

Die empfindliche Struktur für die Entstehung von Krebs ist die Erbsubstanz (DNS). Dabei wird von einem Anstieg der Schäden mit der Dosis ausgegangen, das heißt, auch eine sehr kleine Strahlendosis birgt in sich zwar nur eine geringes Risiko Krebs hervorzurufen, aber es ist nicht Null. Dieses Risiko ist jeweils abzuwägen gegen die Vorteile der medizinischen Diagnose oder Therapie mittels Röntgenstrahlung.

Fazit

Bei der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit biologischer Materie muss grundsätzlich zwischen ionisierender Strahlung (größer 5 eV) und nicht-ionisierender Strahlung unterschieden werden.

Bei der Wechselwirkung von nicht-ionisierender Strahlung unterscheidet man zwischen thermischen Effekten (Strahlung wirkt erwärmend, weil sie durch das Gewebe absorbiert wird) und anderen Effekten (Wirkungen auf die einzelnen Atome und Moleküle). Darüber hinaus gibt es auch indirekte Effekte.

Bei der ionisierenden Strahlung reicht die Energie aus, um Atome oder Moleküle zu ionisieren, d. h. Elektronen herauszuschlagen. Dadurch werden freie Radikale erzeugt, die biologisch schädliche Reaktionen hervorrufen. Erreicht oder übersteigt die Energie von Photonen die Bindungsenergie eines Moleküls, kann jedes Photon ein Molekül zerstören und es können biologische Wirkungen wie beispielsweise eine beschleunigte Alterung der Haut oder Hautkrebs auftreten. Chemische Bindungsenergien stabiler Moleküle liegen oberhalb von etwa 3 eV pro Bindung. Soll es zu Moleküländerungen kommen, müssen Photonen mindestens diese Energie besitzen, was violettem Licht oder höherfrequenter Strahlung entspricht.

Im Rahmen unseres aktuellen Themas werden wir uns mit der Wirkung der Strahlung in der Atmosphäre speziell auf das Ozon beschäftigen, da es in den letzten Jahren von großer Bedeutung war.