Wie funktioniert Infrarot—Absorption?
Vorweg: Ich bin weder Physiker, noch Chemiker, aber ich interessiere mich sehr für Wetter und Klima. Derzeit arbeite ich mich etwas in das Thema Klimaerwärmung ein. Man findet dazu ja sehr viel und sehr verständliche Literatur.
Nur ein Punkt wird meines Erachtens sehr stiefmütterlich erfasst: Wie funktioniert die Absorption von Infrarotstrahlung durch Moleküle überhaupt? Warum ist also Kohlendioxid überhaupt ein Treibhausgas und warum Sauerstoff nicht? Ich betone an dieser Stelle nochmal, dass ich wirkliche Laie bin auf dem Gebiet. Ich würde mich aber wirklich sehr freuen, wenn es einer von euch schafft, mir den Sachverhalt recht einfach zu erklären, so dass ihn auch ich einigermaßen verstehe. Zumindest in den Grundzügen.
Ich bin natürlich bisher nicht untätig gewesen und hab ein bisschen recherchiert. Gibt ja auch Google. Nur sind da die Informationen entweder sehr oberflächlich oder dann eben so sehr im Detail mit Formeln und pipapo, dass ich das als Laie nicht mehr nachvollziehen kann.
2 Antworten
Infrarotstrahlung ist die elektromagnetische Wärmestrahlung. Es handelt sich also um Photonen mit einer bestimmten Energie, je nach Spektrum. Korreliert nun die Frequenz der IR-Strahlung mit der Rotations- bzw. Schwingungsfrequenz des Moleküls, dann kann dieses Molekül das Photon bzw. die Energie aufnehmen und den Schwingungszustand somit ändern.
Das geht nur bei Molekülen mit mehr als 2 Atomen, was am Dipolmoment liegt, das dafür notwendig ist. Ein Dipolmoment ist die räumliche Ladungstrennung, also der Schwerpunkt der positiven Ladungen und der der negativen Ladungen fallen nicht zusammen. Bei zweiatomigen Molekülen ist das oft der Fall, sie sind unpolar, also die Ladungsverteilung ist homogen. Es braucht auch kein statisches Dipolmoment für die IR-Absorption, es kann auch ein dynamisches Dipolmoment sein.
Im Allgemeinen besitzt ein n-atomiges Molekül 3n Bewegungsfreiheitsgrade. Dabei fallen 3 auf die Translation (die Bewegungsmöglichkeiten, wenn sich das Molekül als ganzes bewegt), 2 auf die Rotation, falls die Atome linear angeordnet sind bzw. 3 auf die Rotation falls die Atome nichtlinear angeordnet sind. Der Rest ergibt die Schwingungsfreiheitsgrade. CO2 ist linear also gibt es:
3×3-3-2=4
Schwingungsfreiheitsgrade. Das sind zum einem die symmetrische und unsymmetrische Streckschwingung, sowie die 2-fach entartete Biegeschwingung. Infrarotabsorption ist nur möglich, wenn sich das Dipolmoment des Moleküls ändert. Die symmetrische Streckschwingung hat jedoch in jeder Anregung das Dipolmoment Null, sie kann also nicht durch Absorption angeregt werden (man sagt sie ist IR-inaktiv). Es verbleiben also die asymmetrische Streckschwinung bei 4.3 µm, sowie die Biegeschwingung bei 15.3 µm. Die letzte spielt für den Treibhauseffekt die wesentliche Rolle!
Jeder Stoff zeigt irgendwo eine Absorbtion auch Sauerstoff.
Bei Kohlenstoffdioxid schwingen die Atome im Molekül Gegenphasig zum Licht und wandeln dabei quasi Elektromagnetische Energie in Wärme um.
Bei welcher Frequenz das Auftritt hängt von den Bindungskräften und Schwingungsmodi der Elektronen ab.
Bei CO2 passiert das eben unter anderem im IR Bereich.
Der Vorgang selbst nennt sich elektrische Polarisation. Hier speziell Streck Biege Polarisation. Also das Molekül schwingt eben in sich.
Auf dem selben Prinzip (aber anderer Mechanismus) erhitzt die Mikrowelle dein Essen.