2.9 Mit Lasern auf der Jagd nach Moleklen

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2.9 Mit Lasern auf der Jagd nach Molekülen

Moleküle sind Einheiten chemisch gebundener Atome, z.B. O₂, H₂O, HNO₃ bis hin zur DNA.

2.9.1 Der Laser

Laser bedeutet „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“.

Eigenschaften des Laserlichts:

Laserlicht ist kohärent (feste Phasenbeziehung).
monochromatisch

Es gibt verschiedene Lasertypen.

Kontinuierliche Laser Wellenlänge sehr gut bestimmt, Zeit unbestimmt
Gepulste Laser Wellenlänge unbestimmt, Zeit sehr gut bestimmt

Natur des Lichts: Dualismus Welle - Teilchen

Welle:
- Lichtgeschwindigkeit c = 300000 bzw. 3 ^. 10⁸
- Wellenlänge
- Frequenz
Hierbei gilt der wichtige Zusammenhang ^. = c. Für gelbes Licht gilt beispielsweise 500nm = 5 ^. 10^-7 m und = = 6 ^. 10¹⁴ .
Photonen:
- Lichtteilchen („Atome“ des Lichtes) 6 ^. 10²³ Photonen = 1Einstein
- Plancksches Wirkungsquantum h = 6,6 ^. 10^-34 Js
- Diese besitzen keine Ruhemasse, aber es gilt immer Einsteins bekannte Formel E = mc²!
- Energie: E = h ^. = ^. mit = und = 2
- Impuls: p =
- Spin (Drehimpuls): s =
Hierbei ergeben sich folgende Werte für 500nm:

Die Wechselwirkung von Molekülen und Photonen wird von der chemischen Struktur der Materie bestimmt.
Mittels der Spektroskopie bestimmt man die Struktur der Materie.

Was passiert mit Molekülen nach Lichtabsorption?

Änderung der Energie Lumineszenz, Wärme, chemische Reaktion
Änderung des Impulses Änderung der Geschwindigkeit
Änderung des Drehimpulses Orientierung

Beispiel aus der Atmosphärenchemie:

In der Atmosphäre ist das wichtigste und reaktivste Teilchen das OH-Radikal.

OH + NO2(+M) --> HNO2(+M)

1.Aufgabe: OH-Radikale in Gegenwart von NO₂ zu erzeugen $H2O2 + hn (UV-Licht) --> 2OH$
Anschließende Reaktion mit NO₂!
2.Aufgabe: Nachweis von OH

2.9.2 Dopplereffekt

Dieser zeigt sich durch:

c'= c(1± v) c

Es ist somit ein Nachtunen des Lasers nötig.

Beispiel:

Für Natrium gilt m = 23 und v 300. Dieser Wert entspricht einer mittleren Geschwindigkeit bei Zimmertemperatur. Damit gilt für den Impuls eines einzelnen Atoms p = m^.v = 1,2 ^. 10^-23 . Natrium absorbiert infolgedessen gelbes Licht der Wellenlänge 500nm, da hier die Photonen den Impuls p_ph = 1,3 ^. 10^-23 besitzen. Zum Anhalten braucht man dan 10⁴ Photonen.