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3.2 Warum absorbieren Stoffe elektromagnetische Strahlung?
Lesen Sie zur Ergänzung in Ihrem Chemie-Buch (Tausch/von Wachtendonk, Band 3, TvW) die
die jeweils angegebenen Seiten.
Elektronen schwingen – als stehende Wellen - nur mit bestimmten Frequenzen
(Grundschwingung, 1., 2. Oberschwingung, ….. Zu jeder Frequenz gehört eine bestimmte
Energie (= Energiestufe, TvW S. 7). Diese Energiestufen werden „von unten nach oben“ mit
maximal zwei Elektronen besetzt, solange der Elektronenvorrat reicht.
Die höchste noch mit Elektronen besetzte Energiestufe ist das HOMO (highest occupied
molecular orbital), die niedrigste freie Energiestufe ist das LUMO (lowest unoccupied
molecular orbital).
Auf diesen Energiestufen, die große Abstände voneinander haben, bauen viele
Energiestufen mit kleinen Abständen auf, da die Moleküle um ihre Bindungen auch
schwingen und rotieren können.
Wenn eine elektromagnetische Welle aus dem Mikrowellen- oder Infrarotbereich auf ein
Molekül trifft, reicht die Energie dieser Welle nur aus, um zusätzliche Schwingungen und
Rotationen anzuregen. D.h. die Welle wird absorbiert und das Molekül gerät in heftigere
Schwingung und Rotation der Atome, was sich als Erwärmung des Stoffes bemerkbar macht.
Um ein Elektron zu einer stärkeren Schwingung anzuregen, wird energiereichere Strahlung
aus dem sichtbaren oder UV-Bereich benötigt. Die elektromagnetische Welle wird
absorbiert, aber nur, wenn die Energie dieser Welle gerade so groß ist wie der Abstand der
Energiestufen von HOMO und LUMO. Die Strahlung, die diesen passenden Abstand nicht
hat, wird an dem Molekül reflektiert oder geht ungehindert durch das Molekül hindurch.
Da HOMO und LUMO sich um einen ganz bestimmten Energiebetrag unterscheiden, kann
also – auf ersten Blick – nur die Strahlung absorbiert werden, die genau diesen
Energiebetrag aufweist. Dies entspricht ganz scharf abgegrenzten Spektrallinien aus dem
Spektrum und ist bei atomar existierenden gasförmigen Stoffen der Fall. Da aber bei
Molekülen auch Rotationen und Schwingungen der Atome angeregt werden können,
verbreitern sich diese Linien zu größeren Bereichen der Absorption (s. TvW S. 5).
Wenn ein Molekül eine Lichtwelle absorbiert hat, befindet es sich in einem energiereicheren
und damit instabileren Zustand als vorher. Die absorbierte Energie wird in kleinen Schritten
wieder abgegeben: Das promovierte (angehobene) Elektron kehrt in das HOMO zurück, d. h.
schwingt wieder mit der ursprünglichen, geringeren Frequenz. Die dabei freigesetzte Energie
wird verwendet, um in dem Molekül zahlreiche Schwingungen und Rotationen der Atome
anzuregen. Allmählich wird diese Energie auf Nachbarmoleküle übertragen, bis wieder das
ursprüngliche Energieniveau oder ein eng benachbartes erreicht ist. Man spricht von
strahlungsloser Desaktivierung. Der Stoff als Ganzes erwärmt sich durch diesen Prozess.
Es kann vorkommen, dass die kleinen Energiestufen, die sich durch Molekülschwingungen
und –rotationen ergeben und auf dem HOMO-Energieniveau aufbauen, nicht weit an das
LUMO-Energieniveau heranreichen; und zwar entweder, weil HOMO und LUMO sehr weit
auseinander liegen oder, weil das Molekül zu starr gebaut ist und nicht genügend schwingen
kann. Dann wird die Energie, die beim Zurückspringen des Elektrons vom LUMO in das
HOMO frei wird, als elektromagnetische Strahlung abgegeben. Die Energie und die Frequenz
dieser Strahlung ist aber etwas geringer und die Wellenlänge etwas größer als die der
ursprünglich absorbierten Strahlung.