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| Absorbieren bedeutet aufnehmen - Aufnahme von Energie |
Der Begriff Absorption hört sich an, als handle es sich um einen hochkomplizierten Vorgang. Im Grunde bedeutet 'absorbieren' nichts anderes als 'aufnehmen'. Es wird Energie aufgenommen. Der Torwart, der einen stramm geschossenen Ball hält, hat die Energie dieses Balles mit seinem Körper 'absorbiert'. Wenn er dies nicht geschickt macht und der Ball dabei in die Magengrube geht, kann er seine Energie schmerzhaft spüren.
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Ein H2O Molekül
Das Wassermolekül mit der chemischen Formel H2O besteht aus einem Sauerstoffatom O (hier blau dargestellt) und zwei Wasserstoffatomen H (hier rot dargestellt). In Realität haben die Moleküle freilich keine Farbe.
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Ähnlich wie beim Torschuß im Fußball ist es mit Molekülen und Strahlungsteilchen, den Photonen, nur dass beide sehr sehr viel kleiner sind. Auf ein Molekül fliegt ein Strahlungsteilchen zu, wie der Ball auf einen Torwart. Nun aber wird es ein wenig komplizierter. Der Torwart kann den Ball auffangen, egal ob etwas weniger oder mehr Energie hinter dem Schuß steckte.
| Moleküle können nur Strahlungsteilchen bestimmter Energie aufnehmen |
In manchen Fällen kann ein System seinen Zustand nur ändern, wenn genau die richtige Menge an Energie zugeführt worden ist. Dies ist so bei Molekülen und Photonen. Das Molekül nimmt weder ein Photon auf, das zuviel Energie hat, noch eines, das zuwenig Energie hat.
Wie stellen wir uns das vor?
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"Verflixt nochmal! Schon wieder eine 8."
Myriam flucht leise vor sich hin, weil sie es beim Minigolf mal wieder nicht geschafft hat, den Golfball in dieses gemeine Hindernis zu einzulochen. Die meisten, die schon einmal Minigolf gespielt haben, werden es kennen. Diesen kleinen Hügel, und genau oben in der Mitte ist das Loch.
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Gibt man dem Ball nicht genug Energie mit, so rollt er ein Stück den Hügel hinauf - in der Regel ärgerlicherweise bis 3 cm vor das Loch - überlegt es sich dann aber anders und kehrt wieder um.
Der Golfball hat zuwenig Energie, um aufgenommen zu werden.
Gibt man dem Ball etwas zuviel Energie mit, so hüpft er über das Loch und rollt auf der anderen Seite den Hügel wieder herunter. Auch hierbei hat er seine Energie nicht verloren, sondern nutzt sie um weiter zu rollen. Dies führt dazu, dass wir ihm auch noch hinterherlaufen müssen. Myriam ist dieses Mißgeschick gerade zum dritten Mal widerfahren und nun kramt sie grummelnd in der Hosentasche nach dem zweiten Golfball.
Der Golfball hat zuviel Energie, um aufgenommen zu werden.
Ihre Freundin schafft es natürlich wieder mal beim ersten Schlag. Der Ball plumpst mit einem leichten 'Tak' ins Loch und bleibt dort liegen. Das Hindernis hat seine Energie aufgenommen, sie also absorbiert. Der Ball rollt nicht mehr sondern liegt oben in der Mulde.
| Ein Spektrum zeigt, wie Absorption von der Energie abhängt |
Wir könnten jetzt ein Absorptionsspektrum für das Minigolfhindernis zeichnen. Das Spektrum zeigt uns, dass das Hindernis nur 'absorbiert', wenn der Golfball eine bestimmte Energie hat.
Weder ein zu hoher noch ein zu niedriger Energiebetrag führen zur Aufnahme.
Auch Wassermoleküle nehmen die Energie der Strahlungsteilchen nur auf, wenn sie einen bestimmten Betrag hat. Hier allerdings gibt es die Möglichkeit zur Absorption bei mehreren Energien, gerade bei Wasser sogar bei sehr vielen Energien, wie wir später sehen werden. Dies ist so, als ob es viele verschieden hohe Hindernisse gäbe, für die man zum Einlochen verschiedene Energien benötigt.
Es ist relativ leicht zu verstehen, wenn wir betrachten, was das Molekül mit der Energie macht.
| Strahlungsenergie bringt Moleküle zum Schwingen |
Aufgenommene Energie kann nicht einfach verschwinden. Sie muss irgendetwas verändern. Der Torwart wird sich vorbeugen und die Beine günstig stellen, damit die Energie des Balles an den Boden übertragen wird. Stellen wir uns vor, dass er nicht mit beiden Beinen auf dem Rasen, sondern mit Inline-Skatern auf der Straße stehen würde. Sicherlich hätte er wesentlich mehr Mühe, nicht aus dem Gleichgewicht zu geraten und würde ein Stückchen nach hinten Rollen.
Moleküle schweben frei im Raum. Sie haben keinen Kontakt mehr zu irgendetwas und müssen, solange sie nicht an andere Moleküle stoßen, die ganze Energie für sich behalten. Bei ihnen gerät die Anordnung der Atome aus dem Gleichgewicht. Sie beginnen zu schwingen.
Moleküle können auf verschiedene Weise schwingen. Je nachdem, welche Art von Schwingung erzeugt wird, ist Strahlung einer ganz bestimmten Energie notwendig. Darum absorbieren sie bei verschiedenen Strahlungsenergien.
Wasser absorbiert gerade im Bereich der von der Erde abgestrahlten Infrarotstrahlung so ausgezeichnet, dass nur ein kleiner Bereich für die Photonen durchlässig bleibt, den man das atmosphärische Fenster nennt. Die Absorptionsbereiche der meisten anderen so genannten Treibhausgase sind viel schmaler (ähnlich wie beim Golfhindernis oben).
Wasser absorbiert links und rechts des atmosphärischen Fensters
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Wir fassen zusammen:
Die Strahlung, die von der Sonne kommt und von der Erde zurückgestrahlt wird, trifft auf Moleküle in der Luft. Ist die Energie dieser Strahlung genau passend, um bestimmte Schwingungen der Moleküle zu erzeugen (sie 'anzuregen'), so wird die Strahlungsenergie aufgenommen (= 'absorbiert') und bleibt damit in der Luft gespeichert.
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Text: Elmar Uherek - Max Planck Institut für Chemie / Mainz
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