Absorption von Licht
(Böcher, 2006; Welsch & Liebmann, 2012)
Sichtbares Licht besteht aus elektromagnetischer Strahlung. Die Wellenlänge dieser Strahlung kann beliebig groß oder klein sein – von mehreren Metern bei Funkwellen bis zu weniger als 100 Picometer bei Gamma-Strahlung. Je kleiner die Wellenlänge $\lambda$, desto höher ist die Energie $E$ der Strahlung. Diese Größen sind indirekt proportional zueinander und es gilt
\[E=\frac{hc}{\lambda},\]
wobei $c$ die Lichtgeschwindigkeit und $h$ das Planck’sche Wirkungsquantum ist, welches den Proportionalitätsfaktor zwischen Wellenlänge und Energie darstellt. Jedoch können Menschen nicht jede Wellenlänge sehen. Das Spektrum sichtbaren Lichts befindet sich im Bereich von circa 380 bis 750 nm.
Licht ist dabei aber nicht ein konstanter Strom an Energie, sondern existiert in einzelnen Teilchen, welche Photonen genannt werden. Man spricht vom Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts, da es sich in manchen Experimenten wie eine große, einheitliche Welle verhält und in manchen wie eine Menge einzelner Teilchen.
Trifft Licht auf einen Gegenstand, dann gibt es drei Möglichkeiten: Das Licht kann absorbiert, reflektiert oder transmittiert werden. Es kann also komplett verschluckt werden, zurückgeworfen werden oder durch das Material hindurchdringen, bis es an anderer Stelle austritt. Meist treten alle drei Fälle zu unterschiedlichen Anteilen gemeinsam auf – wie z. B. bei Glas, das je nach Einfallswinkel Licht reflektiert oder durchlässt. Die Reflexionsrichtung bzw. die genaue Bewegung der Photonen innerhalb eines Stoffes hängt dabei von zahlreichen Materialeigenschaften ab. Für dieses Modul soll das Augenmerk nun aber auf der Absorption liegen:
Trifft ein Photon auf ein Elektron, hebt es dieses von einem Energieniveau in ein anderes an. Dafür muss das Photon eine passende Energie besitzen, nämlich jene, die der Energiedifferenz zwischen den beiden Energieniveaus entspricht.
Anleitung: Mit dem Schieberegler rechts unten eine Wellenlänge einstellen und beobachten, ob die Photonen absorbiert und auf welche Energieschale das Elektron gehoben wird. Mit dem “Energiediagramm”-Knopf ein Diagramm einblenden, das sowohl die Energiedifferenzen zwischen den Schalen zeigt als auch die zugehörigen Lichtwellenlängen.
Wie oben beschrieben, entspricht diesem Energieniveau eine bestimmte Wellenlänge. Beim Auftreffen von elektromagnetischer Strahlung auf einen Stoff werden somit bestimmte Wellenlängen absorbiert. Die Photonen anderer Wellenlänge werden reflektiert oder transmittiert. Ist deren Wellenlänge im sichtbaren Bereich, können sie von Lebewesen als farbiges Licht wahrgenommen werden. Die Farbe eines Stoffes wird somit dadurch bestimmt, welche Wellenlänge er absorbiert und welche nicht. Dabei sind zwei Dinge zu beachten:
- Die Elektronen können bei der Absorption von Energie zusätzlich anfangen, zu vibrieren oder zu rotieren. Deswegen können sie auch Photonen mit Energien absorbieren, die nicht exakt den Energieniveauunterschieden entsprechen. Es wird also meist nicht nur eine einzige Wellenlänge absorbiert, sondern ein Bereich. Dieser ist je nach Stoff mal breiter, mal schmaler. In der Literatur wird zumeist nur das Absorptionsmaximum angegeben – also die Wellenlänge, die am meisten absorbiert wird.
- Elektronen, die auf ein höheres Energieniveau gehoben wurden, fallen nach einer gewissen Zeit wieder auf ein niedrigeres Energieniveau herab. Die dabei frei werdende Energie kann entweder in Form von Wärme oder wieder als Photonen abgeben werden. Im letzteren Fall ist der Stoff dann fluoreszierend oder phosphoreszierend.