ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN

Elektromagnetische Wellen
•Dipolstrahlung und Energietransport
•Spektrum der EM Wellen
•Wechselwirkung von Licht mit Materie
•Quantisierung der Energie im Atom
•Molekülspektren
Einige Methoden zur Messung von Spektren
•Flammenphotometrie
•Spektralphotometrie
•Ramanspektroskopie
•Fluoreszenzspektrometrie
•Lichtstreuung
•Laser - Verwendung des Laserstrahles
•Wechselwirkung von Photonen mit biologischer Materie
ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN (Elektrodynamik)
Bisherige Vorstellung der elektrischen und magnetischen Erscheinungen:
Ruhende elektrische Ladungen erzeugen elektrische Felder
Bewegte Ladungen erzeugen Magnetfelder
Ändernde Magnetfelder erzeugen elektrische Felder
Etwas fehlte noch → Änderndes elektrisches Feld erzeugt ein
magnetisches Wirbelfeld
Nach einigen Nachdenken … hat Maxwell diese Tatsachen mathematisch
sehr übersichtlich zusammengefasst und die Existenz elektromagnetischer
Wellen theoretisch postuliert (Maxwellsche Gleichungen)
Die Maxwellgleichungen sind eine der schönsten Entdeckungen der Physik.
Bevor sie entdeckt wurden, waren Elektrizität, Magnetismus und Optik
unabhängige Gebiete.
Maxwell verband auf elegante Weise die Elektrizität mit dem Magnetismus
und postulierte, dass seine Gleichungen auch das Licht beschreiben, das
nichts anderes als eine elektromagnetische Welle ist.
r ρ
div E =
r
div B = 0
r
r
δB
rot E = −
δt
r
r
r
δE
rot B = μ 0 j + ε 0 μ 0
δt
ε0
Die Klarheit und
Eleganz dieser
Darstellung begeisterte
Boltzmann – er sollte
gesagt haben:
War es Gott, der diese
Zeilen schrieb ..?
Beschleunigte
Ladung
Ausbreitungsgeschwindigkeit
v=
1
c
=
; oft μ ≈ 1
εε 0 ⋅ μμ0
εμ
c
= ε = n ( Brechungzahl )
v
Die Maxwellschen Gleichungen beschreiben die Erzeugung von
elektrischen und magnetischen Feldern durch Ladungen und
Ströme sowie die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Feldern
Nach den Maxwellschen Gleichungen ist die zeitliche Änderung des
elektrischen Feldes stets mit einer räumlichen Änderung des
magetischen Feldes verknüpft.
Ebenso ist die zeitliche Änderung des magnetischen Feldes mit
einer räumlichen Änderung des elektrischen Feldes verknüpft.
Für senkrecht aufeinanderstehende,
elektrische und magnetische Felder
zusammen eine fortschreitende Welle.
periodisch wechselnde
ergeben diese Effekte
Das besondere an der elektromagnetischen Welle (z.B. im Vergleich
zu einer Schallwelle) ist, dass kein Träger vorhanden sein muss;
also eine solche Welle kann sich im absolut leeren Raum (Vakuum)
ausbreiten.
Der Hertz‘sche Dipol
Feld eines Dipols dargestellt durch seine
Feldlinien gezeigt für verschiedene Zeiten
während der Schwingung des Dipols
Energietransport - elektromagnetische Wellen
Elektromagnetische Wellen transportieren Energie, weil
► die dem Sender zugeführte Energie nur zum Teil zur Erwärmung des Senders
führt, der Rest wird offenbar zur Erzeugung der elektrischen und magnetischen
Felder gebraucht
► in der Empfangsantenne Ladungen in Bewegung gesetzt werden und die dazu
benötigte Energie offenbar durch Absorption der elektromagnetischen Wellen
geliefert wird
Die elektrischen und magnetischen
Felder stehen aufgrund ihrer Erzeugung
senkrecht aufeinander und senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung
Der Energietransport wird durch den Poynting-Vektor S
beschrieben:
(
r 1 r r
S=
⋅ E×B
μ0
Richtung von S ist die Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle
die elektrische Feldstärke E → Volt pro Meter (V/m)
die magnetische Feldstärke H=B/μ0 → Ampere pro Meter (A/m)
der Poynting-Vektor hat somit die Einheit VA/m² - das entspricht der elektrischen
Leistung pro Fläche, also der Energiestromdichte.
)
DIPOL – verschiedene Darstellungen des Feldes
S = EH ∝ sin θ
2
Strahlungsintensität
Spektrum der EM Wellen
c =λ⋅ f
• H.Hertz → Wellen mit λ von 10 -100m → f: 30 – 3 MHz
• Technisch machbar: f bis 1012 Hz → λ von 0,3 mm
• Mittels Prozesse in der Atomhülle → höhere Frequenzen - kürzere λ möglich
Alle EM-Wellen sind bezüglich der Ausbreitung und Schwingungsrichtung von E und B
identisch – unterscheiden sich durch die Frequenz und damit verbundenen Eigenschaften,
Wechselwirkung mit Materie und somit auch Verwendung
Elektromagnetische Wellen – Art, Verwendung und Wirkung
Verwendung, Wirkung
Telekommunikation
Medizin, Wärmestrahlung
Optik, Sehen
Hautreaktionen
Technik, Medizin
Technik, Medizin
Wechselwirkung von Licht mit Materie (1)
Der photoelektrische Effekt (Hertz, Hallwachs -1887, Lennart (1902)
Manche Metalle (unoxidiert) geben Elektronen ab, wenn ihre Oberfläche
durch Licht kurzer Wellenlänge bestrahlt wird.
Licht schlägt aus dem Metall e- heraus. Mit genügenden EKIN können die esogar die Potentialdifferenz U überwinden (EKIN=eU) .
Zn-Platte
Zn-Platte
-
+
-
+
Annahme: mit steigender Lichtintensität muss der Strom (gegen U) steigen.
Beobachtung: Rotes Licht → kein Stromfluß; Erhöhung der Intensität → kein
Stromfluß, sichtlich keine Erhöhung von EKIN der Elektronen
Bestimmt die Frequenz der EM Welle die kin. Energie des Elektrons ?
Wechselwirkung von Licht mit Materie (2)
• Maximale Energie, welche e- erreichen können ist unabhängig von der
Lichtintensität (Energie der elektromagnetischen Wellen).
• Die EKIN von e- ist bestimmt allein durch die Frequenz (Wellenlänge) des
Lichtes.
• Für jedes Material der Kathode gibt es eine bestimmte kleinste
Grenzfrequenz f0, die das Licht haben muss, sonst keine Emission von e• Unterhalb dieser Frequenz f0 - keine e- Emission statt (auch bei großen
Lichtintensitäten)
• Oberhalb der Grenzfrequenz ist auch bei sehr kleinen Lichtintensitäten eine
Emission von e- (sehr kleine Anzahl) möglich.
Ö Dies ist ein radikaler Bruch mit der klassischen Wellenvorstellung
Theorien der klassischen Physik konnten diesen Effekt nicht erklären.
Albert Einstein zeigte 1905, dass eine Beschreibung des Lichts durch
Lichtquanten, (Photonen), den Effekt gut erklären kann.
Insofern gilt der Photoelektrische Effekt als eines der Schlüsselexperimente
zur Begründung der Quantenphysik. Einstein wurde 1921 für diese Arbeit
mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Grundzüge der Einsteinschen Überlegung:
• Energie der EM Strahlung tritt nur in bestimmten Portionen auf (Quanten,
Photonen) - Strahl mit hoher Intensität hat eine hohe Photonenzahl
• Energie der Photonen ist proportional der Frequenz der EM Strahlung –
ist umso höher, je höher die Freq. (E = h.f → h.. Planksches
Wirkungsquantum.)
• Photonen treten mit Elektronen in Wechselwirkung (ein Quant „benimmt
sich“ wie ein klassisches Teilchen) – dabei löst ein Photon ein Elektron
aus durch die Übergabe der Energie an ein im Material gebundenes
Elektron
• Das Elektron muss mindestens soviel Energie erhalten, um die vom
Material abhängige Austrittsarbeit zu überwinden, mit der es an das
Material gebunden ist, so dass man einen Effekt beobachten kann.
Die Energiebilanz beim Photoeffekt:
hf
=
Energie (Photon) =
Ekin
kin. En. des e-
+
+
WA
Austrittsarbeit
+
+
(WS)
(abgegebene Energie (Stöße))
Die Maximalenergie der ausgelösten Elektronen beträgt also: Ekin, max = h f – WA (Einstein-Gleichung).
E = h⋅ f
mit
h = 6,63 ⋅10
−34
[Js]
Beispiel:
Was ist die Energie eines einzigen Quants von grünem Licht mit λ = 550nm ?
Die Frequenz f = c/λ = 5.45.1014 Hz, somit ist die Energie E:
E = hf = (6.63 ⋅10 −34 Js) ⋅ (5.45 ⋅1014 s −1 ) = 3.61 ⋅10 −19 J
Die Sonne liefert pro m2 eine Strahlung die einer Leistung von ca. 1000 W
entspricht, dh. bei 1000 J / s fallen auf diese Fläche in einer Sekunde n
Quanten auf:
n=
1000
21
≈
2
.
8
⋅
10
3.61 ⋅10 −19
Energiequantisierung im Atom
Licht und Elektronen können in Wechselwirkung treten: Photonen können ihre Energie an
Elektronen abgeben. Umgekehrt können Elektronen einen Teil ihrer Energie in Licht
umwandeln. Werden Gasatome oder Moleküle durch Erhitzen oder Entladung angeregt so
senden sie licht aus. Es ist ein Linienspektrum → unerklärt in der klassischen Physik.
Gase können nur gewisse Wellenlängen des Lichts absorbieren oder emittieren
→ Energiegehalt eines Atoms ist nur „stufenweise“ veränderbar.
Mit der Beziehung E = hf lässt sich die Energiesituation des Atoms (ENERGIENIVEAUS)
beschreiben. Die Analyse der Spektren liefert eine Information über den Atombau.
Atommodel - Entwicklung
1.
Nach dem Thomsonschen Atommodell besteht
das Atom aus einer gleichmäßig verteilten
positiven Ladung und negativ geladenen
Elektronen, die sich darin bewegen. Dieses
Modell wird auch als Plumpudding-Modell
2.
Nach dem Rutherfordschen Atommodell
besteht das Atom aus einem positiv
geladenen Atomkern, der nahezu die
gesamte Masse des Atoms beinhaltet und
einer Atomhülle, in der die Elektronen um
den Kern kreisen.
3.
Nach dem Bohrschen Atommodell besteht
das Atom aus einem positiv geladenen Kern
und Elektronen, die diesen auf diskreten
konzentrischen Bahnen umkreisen.
4.
Nach dem Orbitalmodell besteht das Atom aus
einem Kern, der von Orbitalen umgeben ist.
Die Form der Orbitale ist durch die räumliche
Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen
gegeben (Schrödingergleichung).
Bohrsches Atommodell
Wichtigsten Eigenschaften der atomaren/molekularen Strukturen können mit
dem vereinfachten Atommodel nach Bohr dargestellt werden. Dieses Model
ist nicht gänzlich richtig, hat aber viele Eigenschaften mit denen man eine
Vielzahl der Beobachtungen diskutieren kann.
Eine komplette Beschreibung liefert die Quantenmechanik,
Bohrsches Modell ist aber wesentlich einfacher:
►Die Elektronen bewegen sich ohne Energieverlust auf
konzentrischen Bahnen um den Atomkern (Planeten- oder
Schalenmodell)
► Jede Schale eines Atoms hat einen eigenen konstanten
Energieinhalt – Schalen sind quantisiert
► Die Differenz des Energieinhaltes zweier Schalen wird
aufgenommen oder abgegeben, wenn ein Elektron von einer auf die
andere Schale springt
► Die "Quantelung" der Energie oder der Schalen beschreibt die
Plancksche Formel:
ΔE = h × f = EM - EN
Nach N. Bohr werden die "Elektronenschalen" mit K, L, M, N, ... bezeichnet
oder durch die Hauptquantenzahl n mit n = 1, 2, 3, ...
n = 1 entspricht der K - Schale
n = 2 entspricht der L - Schale
n = 3 entspricht der M – Schale, etc.
Ein Energieniveau ist die diskrete Energie, die zu einem quantenmechanischem Zustand
eines Systems (insbesondere eines Atoms) zu einer bestimmten Energie
(Energieeigenzustand) gehört.
Energieaufnahme und -abgabe im System kann nur durch Wechsel in ein anderes
Energieniveau erfolgen. Dies geschieht beispielsweise durch Absorption oder Emission eines
Photons mit der passenden Energie. Resultat - dies führt zu diskreten Spektrallinien im
Spektrum.
Das Elektronenvolt (Einheitenzeichen eV) ist eine Einheit der Energie
1 eV = 1,602 · 10-19 J
1 Elektronenvolt ist die Energie, die ein Teilchen mit der Elementarladung erhält, wenn es die
Spannung von 1 V durchläuft.
Die Energie lässt sich einfach ins SI-Sytem überführen, indem man für den Buchstaben e die
Elementarladung 1,602·10-19 Coulomb einsetzt.
Molekülspektren
Bei der Atomspektroskopie entsprechen die Übergänge immer
Änderungen der Elektronenkonfiguration.
Bei Molekülen können zusätzlich noch Schwingungen und
Rotationen auftreten, was zur Folge hat, daß die entsprechenden
Spektren komplizierter als bei den Atomen sind, dafür aber auch
Informationen über Bindungsstärken und Struktur des Moleküls
enthalten.
Die Gesamtenergie E ist die Summe der elektronischen Eel, der
vibrationischen Evib, und der rotatorischen Energie Erot des
Moleküls:
E = Erot + Evib + Eel
Einige Methoden zur Messung von Spektren - Spektralphotometrie
Die UV/VIS-Spektroskopie ist eine Spektroskopie, die elektromagentische Wellen (EM) des
ultravioletten (UV) und des sichtbaren Lichts (VIS für visuell) nutzt.
Prinzip:
Moleküle werden mit elektromagnetischer Strahlung im Bereich des sichtbaren und
ultravioletten Lichts bestrahlt → Elektronen werden angeregt.
Anhand der Energieabsorption des untersuchten Moleküls erhält man Informationen über
Bindungsverhältnisse im Molekül.
Der Zusammenhang von Wellenlänge des absorbierten Lichts und der aufzuwendenden
Energie, um ein Elektron auf ein unbesetztes höheres Orbital anzuheben, ist durch die
Einstein-Bohr-Gleichung:
h⋅c
E = h⋅ f =
λ
gegeben, wobei E die Energie, h die Plancksches Wirkungsquantum, c die
Lichtgeschwindigkeit, f die Frequenz und λ die Wellenlänge der EM- Welle sind.
Prinzip eines
Spektrometers
Atome (Moleküle) können Lichtquanten
(Photonen) mit bestimmten Energien (hf)
absorbieren / emittieren → dies ist
abhängig von dem Aufbau (Struktur).
Emissionsspektren – Gase beim
niedrigen Druck. Spektrum korrespondiert
direkt mit Elektronübergängen.
Kontinuierliche Spektren – typisch für
Gase bei hohen Drucken und auch für
Festkörper und Flüssigkeieten.
Absorbtionsspektren – beobachtbar
beim Lichtdurchgang durch kalte Gase
Absorptionslinien - die daher rühren, dass chemische Elemente Photonen mit einer
ganz bestimmten Wellenlänge absorbieren. Wenn dieser Zusammenhang erst einmal
hergestellt ist, dann ist "nur noch" viel Fleißarbeit nötig um herauszufinden, welches
chemische Element an welcher Stelle des Spektrums eine Lücke bzw. dunkle Linie
hinterlässt - jedes chemische Element hinterlässt an einer ganz bestimmten und von
allen anderen Elementen verschiedenen Stelle im Spektrum eine Absorptionslinie.
Analog zu den Absorptionslinien gibt es im Spektrum auch Emissionslinien, die
dadurch entstehen, dass chemische Elemente angeregt werden und Licht einer ganz
bestimmten Wellenlänge ausstrahlen, was sich dann als hellere Linie im Spektrum
niederschlägt.
Mit Hilfe der Analyse von Absorptions- und Emissionslinien in einem Spektrum
lassen sich Erkenntnisse über das Vorhandensein chemischer Elemente in einem
Objekt gewinnen, ohne dieses körperlich untersuchen zu müssen.
x
T=
I
exp(−c ⋅ a ⋅ x)
I0
c … Konzentration
a … spez. Materialkonstante
Iscat, λ
Viele biologisch wichtigen Moleküle absorbieren in Lösungen oder als Festkörper in VIS/UV
(Elektronenanregung) oder im IR (Rotations-, Schwingungsspektren). Durch charakteristische Absorption
sind viele Substanzen identifizierbar: z.B. Hämoglobin, Myoglobin, Chlorophyll, gewisse Aminosäuren,
Nukleinsäuren, oder Proteine, ….
Da sie in Lösungen vorkommen kann z.B. mit Spektralphotometer die Transmission T bestimmt werden.
Oxyhämoglobin (O2-reich)
red. Hämoglobin (O2-arm)
Laser - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (1)
Licht ist elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen unterhalb einiger hundert
µm. Die Emission und Absorption elektromagnetischer Strahlung wird durch die
beschleunigte Bewegung elektrisch geladener Teilchen verursacht. Bei kleinen
Frequenzen (entsprechend großen Wellenlängen) geschieht dies z.B. durch
Wechselströme in Antennen. Im sichtbaren Spektralbereich werden diese Antennen
durch Atome oder Moleküle realisiert, die Licht emittieren oder absorbieren können.
„Erfindung auf einer Suche nach der
Anwendung“
Laser - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (2)
Durch Energiezufuhr kann ein Elektron eines Atomes oder Moleküls
in einen angeregten Zustand wechseln.
Licht entsteht dadurch, dass ein Elektron von solch einem
energiereicheren zu einem energieärmeren Zustand wechselt, wobei
die Energiedifferenz ΔE = h.f als Photon abgegeben wird.
Ist sowohl der Zeitpunkt wie auch die Richtung, in die das Photon
ausgesendet wird, zufällig → spontane Emission.
Davon zu unterscheiden ist die stimulierte Emission → Laserprinzip.
Bei der stimulierten Emission wird der Übergang eines Elektrons
vom energetisch höheren in den tiefer gelegenen Zustand von einem
Photon ausgelöst, danach entstehen zwei Photonen mit gleicher
Frequenz, Phase, Polarisation und Ausbreitungsrichtung, d.h. das
Licht wird verstärkt.
LASER
Prinzip
Gaslaser
Halbleiterlaser
Einige Anwendungen von Lasern (1960 hätte T. Maiman sich gefreut)
Werkstoffbearbeitung:
Durch die starke Bündelung können extrem starke Laserstrahlen erzeugt werden, mit
denen Werkstoffe geschnitten oder geschweißt werden können
Medizin:
In der Augenheilkunde wird Laserlicht niedriger Leistung zur Diagnose eingesetzt. In der
Therapie kann mit höherer Leistung eine sich ablösende Netzhaut am Augenhintergrund
verschweißt werden.
In der Dermatologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte durchführen.
In der Zahnmedizin kann der Laser den Bohrer ersetzen
Messtechnik:
Präzisionsmessungen, im Bauwesen wird er zum Nivellieren genutzt.
In der Verkehrsüberwachung werden Laserpistolen zur Geschwindigkeitsmessung
verwendet.
in Barcodelesegeräten werden die Laser zum Abtasten Barcodes verwendet. Der
reflektierte Strahl wird als hell-dunkel Sequenz ausgewertet.
Wissenschaft:
Spektrometrie, Vermessungen der Erde durch Satelliten, Messung von tektonischen
Verschiebungen
Durch Infrarot- und Ramanspektroskopie die Identifizierung und Analyse von Molekülen
möglich.
Holographie:
Als Kunstobjekte, zur Datenspeicherung
Datentechnik:
Datenspeicherung, Datenübertragung,
Streuung der EM Welle (Lichtstreuung)
Eine grobe Einteilung unterscheidet Prozesse ohne Energieabgabe
(elastische Streuung) und solche mit Energieabgabe (unelastische
Streuung).
Elastische Streuung in Frage:
Rayleigh-Streuung
Dabei werden die Photonen an Teilchen gestreut, deren Durchmesser
im Vergleich zur Wellenlänge des Lichts klein ist, d. h. an den Atomen
und Molekülen
Mie-Streuung
Dabei werden die Photonen an Teilchen gestreut, deren Durchmesser
im Vergleich zur Wellenlänge des Lichts groß ist, d. h. an Staub- und
Rußteilchen der Atmosphäre oder an den Wassertröpfchen von
Wolken.
Prinzip der Raman-Spektrometrie
Die Raman-Spektroskopie liefert Informationen über
Schwingungs
und
Rotationszustände
von
Molekülen.
Der Ramaneffekt entsteht durch Wechselwirkung
von elektromagnetischer Strahlung und der
Elektronenhülle der Moleküle und ist praktisch
unabhängig von der Wellenlänge der
Erregerstrahlung.
Zur Anregung wird eine intensive monochromatische Laser-Strahlung auf die Probe
gerichtet. Der größte Teil ( > 99 %) des Laserlichtes durchstrahlt die Probe, ein sehr
kleiner Anteil wird von der Substanz in alle Raumrichtungen gestreut (elastische
Streuung der Lichtquanten an den Molekülen, sog. Rayleigh-Streuung, gleiche
Frequenz wie der Laser).
Ein noch viel geringerer Teil (ca. 10-6 %) wird dagegen unelastisch gestreut ( sog.
Raman-Streuung, enthält Information über die Probe).
Verantwortlich dafür ist die „Deformierbarkeit“ der Elektronenhülle des Moleküls
während des Schwingungsvorgangs.
Meistens wird dieser Frequenzunterschied in Wellenzahlen relativ zur Laserfrequenz,
dem sogenannten Raman Shift angegeben.
Ramanspektrum des P22 Virus. Beleuchtung mit einem Laser (514.5 nm)
Lidar - LIght Detection And Ranging (Laseranwendungen – Rayleigh Lidar)
Mit LIDAR Systemen lassen sich atmosphärische Zustandsparameter, Wolken,
Partikeln und die Konzentration von atmosphärischen Spurengasen bestimmen.
Beispielsweise dienen Lidar-Instrumente auch der Überwachung von
Emissionsmengen von und Einhaltung vorgegebener Grenzwerte.
Laseranwendungen – Mie-Streuung
0.5
theory data
0.6
transmitted light
0.7
0.8
0.9
scattered light
0
10
20
30
time [ms]
Experiment
40
50
0
5
10
1.0
15
2
square of particle diameter [ μm ]
Theorie
transmitted light - Φtrans / Φ0
scattered light - Φscat / Φtrans [arb. units]
experimental data
Θ = 29.5°
mcore = 1.45-0i
mcoat = 1.332-0i
Dp, core = 0.13μm
Wechselwirkung von Photonen mit (biologischer) Materie
Durch die Absorption eines Photons können organische Moleküle verändert
werden. Die Proteine denaturieren, Enzyme werden inaktiv, es kann auch
Gewebeschädingung oder Genmutation eintreten.
Die Wirkung der Quanten ist Wellenlängen abhängig:
kürzere Wellenlängen → größere Wirkung
Das Lichtspektrum der Sonne.
Der sichtbare Bereich ist nur
ein kleiner Teil des gesamten
Spektralbereichs
Günstigerweise wird die kurzwellige Strahlung in der Atmosphäre durch Sauerstoff,
Stickstoff und Ozon abgeschirmt. Besondere Wirkung hat der stratosphäriche Ozon
der hervorragend die UV unter 300 nm absorbiert – dies scheint für die Entwicklung
der Lebens besonders wichtig, da Nukleinsäuren starke Absorption bei 260 nm
haben.
Halley Bay station,
Antarktis
Zeitliche Entwicklung
des Ozonloches (TOMS)
Quelle:
Variabilität der Ozonmenge mit der Höhe
Wechselwirkung von Photonen mit Materie – O3 Problem
1DU entspricht 0.01mm
Ozonschichtdicke bei NTP
Mechanismus des Ozonabbaus:
Cl + O3 D ClO + O2
O3 + hf D O + O2
ClO + O D Cl + O2
Netto Effekt: 2 O3 D 3 O2
Die Photosynthese ist eine der bedeutendsten Reaktionen in der
Natur die auf der Wechselwirkung von Licht und Materie basiert.
Aus Wasser und CO2 entsteht mittels Licht und Einwirkung von
Kohlehydraten ein lebenswichtiges Molekül D O2.
Photosynthese ist die Voraussetzung für das Leben aller
tierischen Organismen einschließlich des Menschen, da durch
diesen Vorgang der Sauerstoff zum Atmen gebildet wird.
Die Photosynthese hat sich vor ca. 3,5 x 109 Jahren ausgebildet.
Die Atmosphäre der damaligen Erde enthielt u. a. Methan, aber
keinen Sauerstoff. Die gesamten 21% O2 der heutigen Luft sind
durch Milliarden Jahre lange photosynthetische Aktivität
entstanden. Dazu wurde die Energie der Sonne verwendet.
Entscheidende Rolle spielt das
Chlorophyllmolekül mit starker
Absorption um 430nm (blau-violett)
und um 650nm (rot).
Durch
starke
Reflexion
des
Chlorophyll um 500nm erscheinen
die Pflanzen grün.
Die "grünen Lungen" der Erde produzieren pro Jahr 100 x 109 Tonnen O2.
Die größte Menge entsteht durch die Wirkung des tropischen Regenwaldes.
Es ist etwa 1kg m-2 a-1.
Man kann eine grobe Formel für den photosynthetischen Vorgang angeben:
CO2 + H2O & Licht → organische Stoffe + O2
.