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  #1  
Alt 09.02.20, 22:43
Treibhauseffekt Treibhauseffekt ist offline
Newbie
 
Registriert seit: 09.02.2020
Beiträge: 8
Standard Wie funktioniert IR-Absorption?

Guten (stürmischen) Abend zusammen,

Vorweg: Ich bin weder Physiker, noch Chemiker, aber ich interessiere mich sehr für Wetter und Klima. Derzeit arbeite ich mich etwas in das Thema Klimaerwärmung ein. Man findet dazu ja sehr viel und sehr verständliche Literatur.

Nur ein Punkt wird meines Erachtens sehr stiefmütterlich erfasst: Wie funktioniert die Absorption von Infrarotstrahlung durch Moleküle überhaupt? Warum ist also Kohlendioxid überhaupt ein Treibhausgas und warum Sauerstoff nicht? Was passiert da physikochemisch?

Ich betone an dieser Stelle nochmal, dass ich wirkliche Laie bin auf dem Gebiet. Ich würde mich aber wirklich sehr freuen, wenn es einer von euch schafft, mir den Sachverhalt recht einfach zu erklären, so dass ihn auch ich einigermaßen verstehe. Zumindest in den Grundzügen.

Ich bin natürlich bisher nicht untätig gewesen und hab ein bisschen recherchiert. Gibt ja auch Google. Nur sind da die Informationen entweder sehr oberflächlich oder dann eben so sehr im Detail mit Formeln und pipapo, dass ich das als Laie nicht mehr nachvollziehen kann.

Trotzdem: Was kann ich bisher zu dem Thema sagen:

=> Moleküle sind ein Verbund von Atomen. Sie sind nicht starr, sondern bewegen sich permanent: Sie schwingen und rotieren also. Jedes Molekül tut das in seinem eigenen Frequenzbereich. Es gibt dabei verschiedene Arten von Schwingung: Bei Valenzschwingungen werden die Moleküle entlang ihrer Bindungsachse gestreckt und gestaucht. Bei der Deformationsschwingung ändern sich der Biegewinkel der Atome – man nennt das daher auch Biegeschwingung.

=> Infrarotstrahlung ist die elektromagnetische Wärmestrahlung. Es handelt sich also um Lichtteilchen Photonen mit einer bestimmten Energie, je nach Spektrum. Korreliert nun die Frequenz der IR-Strahlung mit der Rotations- bzw. Schwingungsfrequenz des Moleküls, dann kann dieses Molekül das Photon bzw. die Energie aufnehmen und den Schwingungszustand somit ändern.

=> Das geht nur bei Molekülen mit mehr als 2 Atomen, was am Dipolmoment liegt, das dafür notwendig ist. Ein Dipolmoment ist die räumliche Ladungstrennung, also der Schwerpunkt der positiven Ladungen und der der negativen Ladungen fallen nicht zusammen. Bei zweiatomigen Molekülen ist das oft der Fall, sie sind unpolar, also die Ladungsverteilung ist homogen. Es braucht auch kein statisches Dipolmoment für die IR-Absorption, es kann auch ein dynamisches Dipolmoment sein.
wobei ist das nicht ganz verstanden habe: Nimmt es erst die IR-Strahlung auf und wird es DADURCH dynamisch dipolar; denn ich hab das so verstanden, dass nur dipolare Moleküle überhaupt IR-Strahlung aufnehmen können – das beißt sich ja etwas...

=> Diese Schwingungsänderungen durch die Absorption von IR-Strahlung sorgt für eine Energiedifferenz und diese Differenz kann als Photon wieder abgegeben werden. Spricht, es wird Wärme zurück auf den Erdboden (aber auch in andere Richtungen) abgestrahlt.
Auch das hab ich nicht so genau verstanden: Die Moleküle werden DURCH die IR-Strahlung in einen anderen Schwingungs- und Rotationszustand gebracht; damit ist die Energie doch schon absorbiert oder? Anderswo lese ich, dass durch diese Änderung des Zustands überhaupt erst in der Größe der Differenz Photonen aufgenommen werden können. Aber was verursacht dann diese Änderung?

Völlig unklar ist mir noch, was der Streuquerschnitt der Moleküle dabei für eine Rolle spielt.

War das in etwa so richtig?
Was ist falsch? was sollte ergänzt werden?

Ich danke euch schon mal für eure Hilfe!
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  #2  
Alt 10.02.20, 08:33
Bernhard Bernhard ist offline
Moderator
 
Registriert seit: 14.06.2017
Beiträge: 1.288
Standard AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Hallo Treibhauseffekt,

Zitat:
Zitat von Treibhauseffekt Beitrag anzeigen
Ich bin natürlich bisher nicht untätig gewesen und hab ein bisschen recherchiert. Gibt ja auch Google. Nur sind da die Informationen entweder sehr oberflächlich oder dann eben so sehr im Detail mit Formeln und pipapo, dass ich das als Laie nicht mehr nachvollziehen kann.
ganz brauchbar finde ich diesen Wikipedia-Abschnitt. Um das noch detaillierter zu verstehen, muss man sich dann noch das Absorptionsspektrum der verschiedenen atmosphärischen Gase (wie z.B. CO2) ansehen: Astronomy - Ch. 9.1: Earth's Atmosphere (19 of 61) How H2O Absorption Spectrum Compares to CO2 (auf englisch).

Wenn Dir der Clip nicht weiterhilft, mach eine Suche nach "Absorptionsspekturm CO2".
__________________
Freundliche Grüße, B.

Überhaupt droht ja jedem universelle Geltung heischenden Ansatz die Sphinx der modernen Physik, die Quantentheorie - T. Kaluza, 1921
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  #3  
Alt 13.02.20, 06:46
Treibhauseffekt Treibhauseffekt ist offline
Newbie
 
Registriert seit: 09.02.2020
Beiträge: 8
Standard AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

ch hab das jetzt mal hier ein bisschen zusammengetragen. Ist das so richtig?

=> Moleküle sind ein Verbund von Atomen. Sie sind nicht starr, sondern bewegen sich permanent: Sie schwingen und rotieren also. Jedes Molekül tut das in seinem eigenen Frequenzbereich. Es gibt dabei verschiedene Arten von Schwingung: Bei Valenzschwingungen werden die Moleküle entlang ihrer Bindungsachse gestreckt und gestaucht. Bei der Deformationsschwingung ändern sich der Biegewinkel der Atome – man nennt das daher auch Biegeschwingung.

=> Die Infrarotstrahlung ist die elektromagnetische Wärmestrahlung. Es handelt sich also um Lichtteilchen Photonen mit einer bestimmten Energie, je nach Spektrum. Korreliert nun die Frequenz der IR-Strahlung mit der Rotations- bzw. Schwingungsfrequenz des Moleküls, dann kann dieses Molekül das Photon bzw. die Energie aufnehmen und den Schwingungszustand somit ändern. Es kommt zu einer Schwingungsanregung der Bindung

=> Diese Wechselwirkung ist aber nur dann möglich, wenn im Molekül bewegte elektrische Ladung zur Verfügung steht: Dipolmoment. Ein Dipolmoment ist die räumliche Ladungstrennung, also der Schwerpunkt der positiven Ladungen und der der negativen Ladungen fallen nicht zusammen. Bei zweiatomigen Molekülen ist das oft der Fall, sie sind unpolar, also die Ladungsverteilung ist homogen. Es braucht auch kein statisches Dipolmoment für die IR-Absorption, es kann auch ein dynamisches Dipolmoment sein. Daher sind Moleküle mit zwei Atomen wie Sauerstoff und Stickstoff keine Treibhausgase.

=> Je komplizierter nun ein Molekül in seinem Aufbau ist, desto besser kann es IR-Strahlung aufnehmen – weil es mehr Rotations- und Schwingungsmöglichkeiten gibt. Man spricht von Bewegungsfreiheitsgraden. Jedes Molekül hat Bewegungsfreiheitsgrade drei Mal der Anzahl der Atome: Also ein Atom mit drei Molekülen wie CO2 hat drei Mal drei, also neun Bewegungsfreiheitsgrade; drei davon entfallen immer auf die Translation des kompletten Moleküls – also dessen Bewegung in alle drei Raumdimensionen; zwei weitere bei linearen Molekülen (wie CO2) oder drei weitere bei angewinkelten Molekülen (wie etwa H2O) fallen auf die Rotationen des Moleküls. Ein CO2-Molekül hat also noch 3*3-5=4 Schwingungsfreiheitsgrade, H20 hat 3*3-6=3 Schwingungsmoden. Je mehr Schwingungsfreiheitsgrade, desto wahrscheinlicher ist eine IR-Absorption (ist das richtig? Demnach wäre ja ein H20-Molekül weniger treibhausaktiv als ein CO2-Molekül, es heißt aber H20 ist stärkeres Treibhausgas? Oder liegt das nur an der Konzentration)?

=> Jede Schwingungen und Schwingungsfrequenzen sind charakteristisch für ein Molekül und ergibt sich durch die Masse der Atome sowie der Stärke, Länge und Winkel der Bindungen. Jedes Molekül nimmt daher in einem anderen Spektrum IR-Strahlung auf, nämlich in dem Bereich, in dem die Photonen das gleiche Energieniveau haben. Ein Photon ist ein Wechselwirkungsteilchen der elektromagnetischen Strahlung – also so zu sagen ein Lichtteilchen. Man kann also anhand der Absorptionsspektren exakt die entsprechenden Moleküle identifizieren.

=> Wechselwirkung von Molekülen mit IR-Strahlen kennen wir so gut, dass wir unsere Technik wie die Computertomografen und Kernsplint darauf aufbauen.
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  #4  
Alt 13.02.20, 08:52
Bernhard Bernhard ist offline
Moderator
 
Registriert seit: 14.06.2017
Beiträge: 1.288
Standard AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Wenn ich deine Sätze überfliege machen die einen guten Eindruck. In den Details vermute ich Fehler, allerdings geht das dann schon recht weit in die Atomphysik und ist für deine Zwecke eventuell nicht mehr wichtig.

Geht es um eine Arbeit in der Schule? Falls ja, besprich das bitte auch mit dem Betreuer der Arbeit.
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Freundliche Grüße, B.

Überhaupt droht ja jedem universelle Geltung heischenden Ansatz die Sphinx der modernen Physik, die Quantentheorie - T. Kaluza, 1921
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  #5  
Alt 13.02.20, 11:13
Benutzerbild von JoAx
JoAx JoAx ist offline
Singularität
 
Registriert seit: 05.03.2009
Beiträge: 4.324
Standard AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Ein paar Anregungen von mir.

Zitat:
Zitat von Treibhauseffekt Beitrag anzeigen
Sie sind nicht starr, sondern bewegen sich permanent: Sie schwingen und rotieren also.
Hier kommt nicht deutlich hervor, dass die "innere" Geometrie (relative räumliche Anordnung der Atome) der Moleküle gemeint ist.

Zitat:
Zitat von Treibhauseffekt Beitrag anzeigen
Es handelt sich also um Lichtteilchen Photonen mit einer bestimmten Energie, je nach Spektrum.
Diesen Satz würde ich komplett weg lassen. Photone braucht man an dieser Stelle eigentlich nicht zu bemühen. Entsprechend auch den nächsten Satz anpassen

Zitat:
Zitat von Treibhauseffekt Beitrag anzeigen
=> Diese Wechselwirkung ist aber nur dann möglich, wenn im Molekül bewegte elektrische Ladung zur Verfügung steht: Dipolmoment.
Dipolmoment entsteht nicht durch bewegte Ladungen, sondern dadurch, dass die Zentren der Teilladungen (+ / -) nicht am selben Ort sind. (Was im nächsten Satz korrekt beschrieben ist.) Vlt. hast du "bewegliche" Ladung gemeint, aber auch das würde so nicht stimmen. Letzlich kann man ja auch die Atome von O2 von einander weg bewegen, nur nicht mit (schwacher) em. Strahlung. Schreibe nur, dass das Molekül ein von Null verschiedenes Dipolmoment aufweisen muss. Dein nächster Satz erklärt dann, was es bedeutet.

Zitat:
Zitat von Treibhauseffekt Beitrag anzeigen
Daher sind Moleküle mit zwei Atomen wie Sauerstoff und Stickstoff keine Treibhausgase.
Wieso - "Daher"?


Zitat:
Zitat von Treibhauseffekt Beitrag anzeigen
... (ist das richtig? ...
Nicht ganz. Siehe deine ersten und nächsten Absatz.
Die bloße Anzahl der Freiheitsgrade ist nicht das einzige Kriterium.
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Gruß, Johann
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Eine korrekt gestellte Frage beinhaltet zu 2/3 die Antwort.
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  #6  
Alt 13.02.20, 13:49
Benutzerbild von TomS
TomS TomS ist offline
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Ort: Nürnberg
Beiträge: 2.168
Standard AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

SIEHE AUCH HIER.

https://de.wikipedia.org/wiki/Molek%C3%BClschwingung
https://de.wikipedia.org/wiki/Franck-Condon-Prinzip
https://de.wikipedia.org/wiki/Infrar...gungs-Spektrum
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Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago.
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  #7  
Alt 13.02.20, 15:46
Treibhauseffekt Treibhauseffekt ist offline
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Registriert seit: 09.02.2020
Beiträge: 8
Standard AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Zitat:
Zitat von Bernhard Beitrag anzeigen
Geht es um eine Arbeit in der Schule? Falls ja, besprich das bitte auch mit dem Betreuer der Arbeit.
Nein nichts dergleichen, ich will es einfach nur verstehen.
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  #8  
Alt 13.02.20, 15:49
Treibhauseffekt Treibhauseffekt ist offline
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Registriert seit: 09.02.2020
Beiträge: 8
Standard AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Zitat:
Zitat von JoAx Beitrag anzeigen
Ein paar Anregungen von mir.
Danke dir! Das hilft mir schon mal weiter!


Zitat:
Zitat von JoAx Beitrag anzeigen
Wieso - "Daher"?
Weil durch homogen verteilte Ladung kein Dipolmoment.

Zitat:
Zitat von JoAx Beitrag anzeigen
Nicht ganz. Siehe deine ersten und nächsten Absatz.
Die bloße Anzahl der Freiheitsgrade ist nicht das einzige Kriterium.
Das verstehe ich nicht ganz. Welche anderen Kriterien spielen denn sonst noch eine Rolle? Wozu sind die Freiheitsgrade dann wichtig?
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  #9  
Alt 13.02.20, 16:36
Benutzerbild von JoAx
JoAx JoAx ist offline
Singularität
 
Registriert seit: 05.03.2009
Beiträge: 4.324
Standard AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Zitat:
Zitat von Treibhauseffekt Beitrag anzeigen
Weil durch homogen verteilte Ladung kein Dipolmoment.
Na, ja. Vlt. stört mich die Verwendung des Wortes homogen. Das scheint mir unpassend.


Zitat:
Zitat von Treibhauseffekt Beitrag anzeigen
Das verstehe ich nicht ganz. Welche anderen Kriterien spielen denn sonst noch eine Rolle? Wozu sind die Freiheitsgrade dann wichtig?
Stelle dir vor, du hast vier Behälter, in die du Wasser rein tun kannst, und ich nur drei. Heisst es automatisch, dass ich weniger Wasser tragen kann? Was ist, wenn meine 3 Behälter insgesamt größer sind, als deine 4?
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Gruß, Johann
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Eine korrekt gestellte Frage beinhaltet zu 2/3 die Antwort.
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E0 = mc²

Geändert von JoAx (14.02.20 um 08:57 Uhr)
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  #10  
Alt 14.02.20, 07:13
Bernhard Bernhard ist offline
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Registriert seit: 14.06.2017
Beiträge: 1.288
Standard AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Zitat:
Zitat von Treibhauseffekt Beitrag anzeigen
Nein nichts dergleichen, ich will es einfach nur verstehen.
Da hast dir aber was vorgenommen. Die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Atomen und/oder Molekülen füllt ganze Lehrbücher.

Kurioserweise findet man im Netz Absorptionsspektren von CO2 nicht gerade leicht, wo doch mittlerweile die ganze Welt über den Klimawandel debattiert.
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Freundliche Grüße, B.

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