Material zum Vortrag (9,1 MB pdf-Datei) - Physik am Samstag

Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften, Fachrichtung Physik, Professur Didaktik der Physik
Facetten des Lichts
Vom UV zum Infrarot
Physik am Samstag
5.11.2011
Gesche Pospiech

Entdeckung von Infrarot und UV
Friedrich Wilhelm Herschel (1738 – 1822) entdeckte im Jahr 1800, dass es
neben dem sichtbaren Spektrum noch weitere - unsichtbare - Strahlung
geben musste, die er durch deren Wärmewirkung - d.h. Messen der
Temperatur der Farben im Spektrum mit Hilfe geschwärzter Thermometer -
nachweisen konnte.
Johann Wilhelm Ritter (1776 – 1810) erfuhr dies und suchte nach einem Stoff,
nach einem „... Reagens, das auf dieselbe Weise, wie das Thermometer
nach dem Roth hin, in unserem Falle nach dem Violett hin, die stärkere
Wirkung zeigt. Es wird dann leicht seyn, mit ihm über das Violett
hinauszugehen, und außerhalb ihm mit demselben ein Maximum von
Wirkung eben so gut aufzufinden, wie mit dem Thermometer über das Roth
hinaus“. Ritter wählte als geeignetes Reagenz Silberchlorid aus, von dem er
wusste, dass es „... im Violett des Farbenbildes weit eher schwarz werde, als
in den übrigen Farben“.
1801 wies er die UV-Strahlung nach.

UV
VIS
Infrarot
Sichtbares Licht im
elektromagnetischen Spektrum

Ultraviolett-Strahlung

Hannes Grobe, entnommen aus:
http://de.wikipedia.org/wiki/Fluoreszenz

Fluoreszenz
UV entsteht durch Vorgänge in der
Elektronenhülle von Atomen und löst
solche aus.

Spektraler Bereich der UV-Kamera

Einteilung von UV-Strahlung
Typ Wellenlänge Wirkung
UV-A
320 nm – 380 nm
kein Sonnenbrand,
Hautalterung
Hautkrebsrisiko
UV-B
UV-C
280 nm – 320 nm
100 nm – 280 nm
Hautbräunung,
Sonnenbrand,
lebensnotwendig für
Vitamin D-Synthese
Wird bereits in der
Stratosphäre absorbiert,
Schädigt Proteine und
Nukleinsäuren

Farbrezeptoren bei Mensch und Biene
Biene
Mensch
http://www.zoologie-skript.de/komplex/farbe.htm

Wie Bienen Blüten sehen

„Blüten“?

Der Stickstofflaser

Laserprinzip

Schaltprinzip des Lasers

Aufbau des Lasers

Infrarot-Bereich

Spektraler Bereich der NIR-Kamera

Bau der Infrarot-Kamera

Wechselwirkung Strahlung-Materie
Transmission
Reflektion
Emission
Absorption

Ein Baum – 3 Ansichten

Molekülschwingungen – so ...
http://de.wikipedia.org/wiki/Infrarotspektroskopie#Absorption_von_IR-Strahlung

.. oder so
Infrarotstrahlung hängt
mit den Schwingungen
und Rotationen
von Molekülen zusammen.
http://de.wikipedia.org/wiki/Freiheitsgrad#Physik

Wechselwirkung Strahlung-Materie
Transmission
Reflektion
Emission
Absorption

Verteilung der Strahlungsintensität der
Sonne über das Spektrum
T=5778 K

Der „Schwarze Körper“ und das
sichtbare Licht
6000
80000000
Intensität
4000
2000
900 K
800 K
700 K
60000000
40000000
20000000
6000 K
5000 K
4000 K
0
0 2 4 6 8 10 12 14
Wellenlänge in Mikrometer
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Wellenlänge in Mikrometer

Gesamtintensität der emittierten
Strahlung
Summation über alle Wellenlängen ergibt:
P ~ T ⁴
Beim idealen schwarzen Körper haben wir:
P = T ⁴
Beim „grauen“ Körper brauchen wir einen Korrekturfaktor,
den Emissionsgrad:
P = T ⁴

Mittleres Infrarot
325 K
300 K
275 K
3

Thermoelemente
Zu messende
Temperatur
U Kupfer
~(T 0
-T 1
)
T 1
T 0
U Eisen
~(T 0
-T 1
)
Bezugs-
Temperatur
U Kupfer
- U Eisen
Thermosäule
nach Moll

Transmission von Glas

Transmission von NaCl
m