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Molekülspektren und ihre Bedeutung für die Erdatmosphäre
Übungen zu Theoretischer Physik für das Lehramt L2
von Stephanie Gabler und Elisabeth Wallner
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10.12.2013Stephanie Gabler, Elisabeth
Wallner 2
Überblick
Geschichtlicher Hintergrund - Erkenntnisse Was ist ein Spektrum? Verfahren von Molekülspektren Wie entsteht eine Spektrallinie? Bsp. Sterne und ihre Spektren Aufbau und Zusammensetzung der Erdatmosphäre Bildung und Zerstörung von Ozon Ozonloch Treibhauseffekt
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Geschichte der Molekülspektroskopie
Erstmals entdeckt wurden Absorptionslinien 1802 durch William Hyde Wollaston und 1813, unabhängig von ihm,
durch Joseph von Frauenhofer im Spektrum der Sonne
Stark idealisierte und semi- klassische Modelle für Moleküle auf
Grund der Quantentheorie basierend auf dem Bohr´schen
Atommodell
Modell fester Kern
Modell starrer Rotator
Modell an- harmonischer Oszillator
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Verfahren von Molekülspektroskopie Infrarot- SpektroskopieUntersuchung von festen, flüssigen oder
gasförmigen Proben Raman- Spektroskopiezur Untersuchung molekularer Schwingungen Mikrowellenspektroskopiefür Absorptionsmessungen an der Erdatmosphäre
auf Satelliten
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Spektrallinien Als Spektrallinien oder Resonanzlinie bezeichnet man voneinander scharf getrennte Linien eines Spektrums.
Emissionslinien
Absorptionslinien
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Übergangsenergie
En=(n+1/2)ħω
ΔE= E Endwert – E Anfang
ΔE = -Rhc [(1/n²E)-(1/n²A)]
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Theoretischer HintergrundHarmonischer Oszillator
Potenzial mit V(x)= κx²/2
Ψ0(x)= e-x²/2a²
Energieeigenwerte En
=(n+1/2)ħω
Kreisfrequenz ω=√(κ/m)
Frequenz ν= ω/2π =c/λ Hz
Wellenlänge λ= c/ ν nm
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Fraunhofersche Linien
= Absorptionslinien im Spektrum der Sonne Aussagen über chemische
Zusammensetzung und die Temperatur der Gasatmosphäre der Sonne und von Sternen
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Wallner 9
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Sterne und ihre Spektren
Objektivprismenaufnahme eines Sternfeldes bei einigen Sternen lassen sich die
Spektrallinien erkennen
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Wallner 10
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Aufbau der Erdatmosphäre
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Wallner 11
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Aufbau der Erdatmosphäre
Nach der thermischen Einteilung:
Troposphäre (10 – 12km)Stratosphäre (12 – 50km)Mesosphäre (50 – 85km)Thermosphäre (Ionosphäre) (85 – 500km)Exosphäre (> 500km)
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Aufbau der Erdatmosphäre
Nach der chemischen Zusammensetzung:Homosphäre = untere Schicht Atmosphärengase sind gut durchmischt erstreckt sich bis 80/100km Höhe mittlere Molmasse der Luft: etwa 29 g/molHeterosphäremolekularen Diffusionsvorgängen Entmischung der verschiedenen Bestandteile nach ihrem Molekulargewicht
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Barometrische Höhenformel
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Wallner 14
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Zusammensetzung der Erdatmosphäre Permanente Hauptbestandteile
Stickstoff 78% Sauerstoff 21% Argon 0,9% Kohlendioxid 0,04%
Permanente Spurengase Räumlich und zeitlich schwankende Anteile Nicht variable Spurengase Variable Spurengase10.12.2013
Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 15
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Natürlicher Treibhauseffekt
sorgt für eine Durchschnittstemperatur von etwa 15°C
Ohne ihn würde die Temperatur bei -18°C liegen
Einige Spurenelemente wirken als Treibhausgase hindern Teil der Wärmestrahlung daran, ins Weltall zu entweichen
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Wallner 16
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Bildung und Zerstörung von OzonO2 + UV-Licht, elektrische Entladungen 2O
O2 + O O3
Chapman-Theorie:O3 + UV-Licht O2 + O
O3 + O O2 + O2
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Wallner 17
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Ozonloch
Auslöser der Ozonzerstörung:
anthropogen halogenierten Kohlenwasserstoffe (FCKWs)
sehr kalte und stabile winterliche antarktische Stratosphäre
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Treibhauseffekt
das sichtbare Licht der Sonne trifft auf die Erde und wird teilweise in Infrarotstrahlung umgewandelt, welche von bestimmten Molekülen absorbiert wird und in alle Richtungen weggestrahlt wird. Ein Teil davon wird also auch wieder zur Erde zurückgeworfen, was eine stärkere Erwärmung zur Folge hat.
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Wallner 19
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QuellenKlose, B.: Meteorologie – Eine interdisziplinäre Einführung in die Physik der Atmosphäre (2008)
Wagner, Reischl, Steiner: Einführung in die Phyik
http://www.kowoma.de/gps/zusatzerklaerungen/atmosphaere.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Fraunhoferlinie
http://www.avgoe.de/astro/Teil04/Spektren.html
http://www.m-forkel.de/klima/atmosphaere.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Homosph%C3%A4re_und_Heterosph%C3%A4re
http://www.cms.fu-berlin.de/geo/fb/e-learning/pg-net/themenbereiche/klimageographie/leitfragen/index.html
http://www.uni-graz.at/~foelsche/VO/Meteorologie/Meteorologie_VO_03_Barometrische_Hoehenformel.pdf
Bild Aufbau der Erdatmosphäre: http://www.kowoma.de/gps/zusatzerklaerungen/atmosphaere.htm
Bild Fraunhofersche Linien: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7d/Fraunhofer_lines_DE.svg
Bild Objektivprismenaufnahme eines Sternenfeldes: http://www.avgoe.de/astro/Teil04/Spektren.html
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Wallner 20
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Danke für die Aufmerksamkeit!