Entstehung des Lichts Lumineszenz

Lumineszenz
Entstehung des Lichts
Lumineszenz
• Absorption der äußeren Energie
Temperaturstrahlung
• Anregung
• Abstrahlung der Energie in Form von Licht
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1
Spektren, Spektralanalyse
Energiestrom = Leistung, P
∆E
∆t
100
0
P=
E
50
Wie verteilt sich die
emittierte Energie (E) über
die Photonenenergien (ε) ?
[E] = J (Joule)
Energie, E
Emissionsspektrum:
∆ E /∆ ε
Strahlung: Energie wird transportiert (Energiestrahlung)
150
160
170
180
190
200
210
Photonenenergie, ε
[P] = W (Watt)
Energiestromdichte =Leistungsdichte = Intensität
P 1 ∆E
=
A A ∆t
[J] = W/m2
J=
∆I
∆λ
charakteristische Grösse der
Energietransport: Intensität (J)
(manchmal die Leistung)
Anwendung der Wellenlänge (λ)
ist einfacher als die
Photonenenergie (ε).
λ
A: die Fläche (senkrecht zur Richtung der Strahlung!)
3
4
Anwendung der Dispersion
Monochromator
Anregung der Atome
Lichtemission
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6
Prinzipieller Aufbau des Spektrometers und Aufzeichnung des Spektrums
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8
Enstehung der Temperaturstrahlung
Temperaturstrahlung
Erfahrung: die Körper, die höhere Temperatur haben als ihre Umgebung emittieren
Energie (Wärme):
Temperaturstrahlung hängt
sehr stark von der T des
Körpers ab.
Temperatur des Körpers hängt mit
den Bewegungen der Teilchen in
dem Körper zusammen.
z.B.
Gastheorie
9
1 2 3
mv = kT
2
2
Die Temperaturstrahlung ensteht
auf Kosten der Bewegungsenergie
der Teilchen im Körper.
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Grössen zur Beschreibung der Temperaturstrahlung:
Eigenschaften der Temperaturstrahlung
Spezifische Ausstrahlung (M):
•Jeder Körper, dessen Temperatur über dem absoluten
Nullpunkt liegt, sendet Temperaturstrahlung aus
∆P in 2π
Raumwinkel
• Temperaturstrahlung ist elektromagnetische Strahlung (infrarotes
Licht, sichtbares Licht, UV, Röntgen, ...)
M=
∆P
,
∆A
[M ] = W2
m
Spektrale spezifische Ausstrahlung (Mλ):
• Sie hängt von der T, Eigenschaften (Materie, Farbe, Oberfläche, ...)
des Körpers ab.
∆A
Mλ =
∆M
W
, [M λ ] = 2
m ⋅ nm
∆λ
Absorptionsgrad (α):
Strahlungsgleichgewicht: emittierte und absorbierte
Leistungen müssen im thermischen Gleichgewicht gleich sein.
α=
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absorbier te Energie
einfallende Energie
Mλ und α hängen von λ, T, Farbe des Körpers, ... ab
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Kirchhoffsches Strahlungsgesetz:
M λ ,1
α1
=
M λ ,2
α2
=
M λ ,3
α3
konstant für verschiedene Körper
bei gegebener T und λ
= ...
Die dunkle Farben
absorbieren mehrere
Strahlungsenergie als
die helle (Kirchhoff!).
Die
Strahlenschädigung
nach der
Atombombenexplosion
ist grösser unter den
dunklen Teile des
Kimonos.
Absolut schwarzer Körper:
Ein hypothetischer idealisierter Körper, der jegliche auf ihn treffende
elektromagnetische Strahlung bei jeder Frequenz vollständig absorbiert.
Absolut schwarzer Körper als
Strahlungsreferenz: α = 1
Russ
Mλ
=
α
M λ ,a
1
= M λ ,a
Hohlraumstrahlung
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Spektrum des absolut schwarzen Körpers
Wiensches Verschiebungsgesetz
2000 K
Mλ,a
2000 K
Mλ,a
λmax ⋅T = const = 2880 µm ⋅ K
1500 K
1500 K
1000 K
1000 K
750 K
750 K
1
0,4 0,8
2
3
4
5
λ (µm)
1
0,4 0,8
λmax
2
3
4
5
λ (µm)
Verschiebung des Maximums mit der Temperatur
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z. B. Das Spektrum der Sonne:
Stefan–Boltzmannsches Gesetz
T = 5900 K (= 6000 K)
2000 K
Mλ,a
M a = σ ⋅T 4
Mλ
M
1500 K
σ = 5,7 ⋅ 10 −8
1000 K
W
m2 K 4
750 K
1
0,4 0,8
2
3
4
5
λ (µm)
500 nm
hohe spezifische Ausstrahlung bei hohen Temperaturen
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λmax ≈ 10 µm
Ist der tierliche Körper absolut
schwarz?
2
λ (µm)
3
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Absorptionsspektrum des Wassers im Bereich von 200 nm bis 0.1 mm
Anwendungen 1:
IR Diagnostik (Telethermographie)
T ≈ 301 K
1
IR-Strahlung
In diesem Bereich: Ja!
(s. Absorptionsspektrum des Wassers)
IR-Kamera
M
T
M ∝T
4
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Gesichtshöhlenentzündung
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Gelenkentzündung
Muskelzerrung
Chondrolyse und Thrombose
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IR-Thermographie
gesund
Messbereich: 8-10 µm
Prezision: 0.1 C
Auflösungsgrenze: 1 mm2
(Abstand: 40 cm)
Abtastungszeit: 4 s
Mikrowellenthermographie,
Mammathermographie
(Tumor-Diagnostik)
Vorteil: Körpergewebe ist
durchlässig für Mikrowellen.
Brustkrebs
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Nachteil: Intensität im
Mikrowellenbereich ist
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vielmal kleiner als im IR.
Anwendungen 3:
Wärmetherapie (IR-Lampen)
Anwendungen 2: Wärmehaushalt
Stoffwechselprozesse ⇒Wärme
konstante Körpertemperatur
Wärmeabgabe
Glühlampen
T = 2000-3000 K
Wärmestrahlung:
M = σ ⋅T 4
Resultierende Energieabgabe (∆E):
(
)
4
∆E = σ ⋅ T 4 − TUmgebung
⋅ A⋅t
4
M Umgebung = σ ⋅ TUmgebung
Hat ein Körper höhere Temperatur als seine
Umgebung, so strahlt er mehr als er aus der
Umgebung absorbiert.
+ Transpiration
(+ Wärmeleitung)
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höhere Temperaturen:
Tageslichtlampe
niedrigere Temperaturen:
IR-Lampen
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Der
Saturnmond
Phoebe
Weitere
Anwendungen
Bestimmung von
Oberflächentemperaturen
Wolfram-Lampen
Sehen im ganz dunklen
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