Molekülspektren und ihre Bedeutung für die Erdatmosphäre

Übungen zu Theoretischer Physik für das Lehramt L2

von Stephanie Gabler und Elisabeth Wallner

10.12.2013Stephanie Gabler, Elisabeth

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Überblick

Geschichtlicher Hintergrund - Erkenntnisse Was ist ein Spektrum? Verfahren von Molekülspektren Wie entsteht eine Spektrallinie? Bsp. Sterne und ihre Spektren Aufbau und Zusammensetzung der Erdatmosphäre Bildung und Zerstörung von Ozon Ozonloch Treibhauseffekt

Geschichte der Molekülspektroskopie

Erstmals entdeckt wurden Absorptionslinien 1802 durch William Hyde Wollaston und 1813, unabhängig von ihm,

durch Joseph von Frauenhofer im Spektrum der Sonne

Stark idealisierte und semi- klassische Modelle für Moleküle auf

Grund der Quantentheorie basierend auf dem Bohr´schen

Atommodell

Modell fester Kern

Modell starrer Rotator

Modell an- harmonischer Oszillator

Verfahren von Molekülspektroskopie Infrarot- SpektroskopieUntersuchung von festen, flüssigen oder

gasförmigen Proben Raman- Spektroskopiezur Untersuchung molekularer Schwingungen Mikrowellenspektroskopiefür Absorptionsmessungen an der Erdatmosphäre

auf Satelliten

Spektrallinien Als Spektrallinien oder Resonanzlinie bezeichnet man voneinander scharf getrennte Linien eines Spektrums.

Emissionslinien

Absorptionslinien

Übergangsenergie

En=(n+1/2)ħω

ΔE= E Endwert – E Anfang

ΔE = -Rhc [(1/n²E)-(1/n²A)]

Theoretischer HintergrundHarmonischer Oszillator

Potenzial mit V(x)= κx²/2

Ψ0(x)= e-x²/2a²

Energieeigenwerte En

=(n+1/2)ħω

Kreisfrequenz ω=√(κ/m)

Frequenz ν= ω/2π =c/λ Hz

Wellenlänge λ= c/ ν nm

Fraunhofersche Linien

= Absorptionslinien im Spektrum der Sonne Aussagen über chemische

Zusammensetzung und die Temperatur der Gasatmosphäre der Sonne und von Sternen

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Sterne und ihre Spektren

Objektivprismenaufnahme eines Sternfeldes bei einigen Sternen lassen sich die

Spektrallinien erkennen

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Aufbau der Erdatmosphäre

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Aufbau der Erdatmosphäre

Nach der thermischen Einteilung:

Troposphäre (10 – 12km)Stratosphäre (12 – 50km)Mesosphäre (50 – 85km)Thermosphäre (Ionosphäre) (85 – 500km)Exosphäre (> 500km)

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Aufbau der Erdatmosphäre

Nach der chemischen Zusammensetzung:Homosphäre = untere Schicht Atmosphärengase sind gut durchmischt erstreckt sich bis 80/100km Höhe mittlere Molmasse der Luft: etwa 29 g/molHeterosphäremolekularen Diffusionsvorgängen Entmischung der verschiedenen Bestandteile nach ihrem Molekulargewicht

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Barometrische Höhenformel

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Zusammensetzung der Erdatmosphäre Permanente Hauptbestandteile

Stickstoff 78% Sauerstoff 21% Argon 0,9% Kohlendioxid 0,04%

Permanente Spurengase Räumlich und zeitlich schwankende Anteile Nicht variable Spurengase Variable Spurengase10.12.2013

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Natürlicher Treibhauseffekt

sorgt für eine Durchschnittstemperatur von etwa 15°C

Ohne ihn würde die Temperatur bei -18°C liegen

Einige Spurenelemente wirken als Treibhausgase hindern Teil der Wärmestrahlung daran, ins Weltall zu entweichen

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Bildung und Zerstörung von OzonO2 + UV-Licht, elektrische Entladungen 2O

O2 + O O3

Chapman-Theorie:O3 + UV-Licht O2 + O

O3 + O O2 + O2

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Ozonloch

Auslöser der Ozonzerstörung:

anthropogen halogenierten Kohlenwasserstoffe (FCKWs)

sehr kalte und stabile winterliche antarktische Stratosphäre

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Treibhauseffekt

das sichtbare Licht der Sonne trifft auf die Erde und wird teilweise in Infrarotstrahlung umgewandelt, welche von bestimmten Molekülen absorbiert wird und in alle Richtungen weggestrahlt wird. Ein Teil davon wird also auch wieder zur Erde zurückgeworfen, was eine stärkere Erwärmung zur Folge hat.

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QuellenKlose, B.: Meteorologie – Eine interdisziplinäre Einführung in die Physik der Atmosphäre (2008)

Wagner, Reischl, Steiner: Einführung in die Phyik

http://www.kowoma.de/gps/zusatzerklaerungen/atmosphaere.htm

http://de.wikipedia.org/wiki/Fraunhoferlinie

http://www.avgoe.de/astro/Teil04/Spektren.html

http://www.m-forkel.de/klima/atmosphaere.html

http://de.wikipedia.org/wiki/Homosph%C3%A4re_und_Heterosph%C3%A4re

http://www.cms.fu-berlin.de/geo/fb/e-learning/pg-net/themenbereiche/klimageographie/leitfragen/index.html

http://www.uni-graz.at/~foelsche/VO/Meteorologie/Meteorologie_VO_03_Barometrische_Hoehenformel.pdf

 

Bild Aufbau der Erdatmosphäre: http://www.kowoma.de/gps/zusatzerklaerungen/atmosphaere.htm

Bild Fraunhofersche Linien: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7d/Fraunhofer_lines_DE.svg

Bild Objektivprismenaufnahme eines Sternenfeldes: http://www.avgoe.de/astro/Teil04/Spektren.html

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Danke für die Aufmerksamkeit!