Hast du dich schon mal gefragt, warum die Blätter der meisten Pflanzen grün sind und nicht blau oder rot?Das liegt daran, dass das Chlorophyll in Pflanzen nur Licht bestimmter Wellenlänge absorbiert.Aber was ist Absorption eigentlich genau?
Absorption – Definition
Absorption begegnet uns in verschiedenen Bereichen des Alltags. Zum Beispiel absorbiert ein Schwamm Wasser und wenn wir kochen, nimmt das Essen Energie auf. Der Begriff Absorption (lat. absorbere: aufsaugen) bezeichnet also immer die Aufnahme eines Stoffes durch Materie. Auch in der Physik begegnet uns die Absorption sehr häufig, deswegen schauen wir uns zunächst mal eine physikalische Definition des Begriffs an.
In der Kernphysik bezeichnet Absorption die Aufnahme von Wellen- oder Teilchenstrahlung durch ein Atom und Molekül. Dazu zählt zum Beispiel die Absorption von Schallwellen oder elektromagnetischer Strahlung. In diesem Fall sprichst du von Lichtabsorption.
In diesem Artikel wollen wir uns auf die Absorption von Licht konzentrieren. Teilchen stehen nämlich im konstanten Energieaustausch miteinander oder ihrer Umgebung. Dies geschieht durch Licht, besser gesagt durch die sogenannten Photonen. Diese können von den Teilchen sowohl absorbiert werden, als auch emittiert – also abgegeben – werden.
Zum Thema Emission und atomarer Energieaustausch findest du eigene Artikel.
Absorption von Photonen im Atom
Photonen spielen eine wichtige Rolle bei der physikalischen Definition von Absorption. Aber um was genau handelt es sich eigentlich bei diesen Photonen?
Photonen sind die Teilchen des Lichts. In der Physik sprichst du auch davon, dass sie die Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung (einer der vier Grundkräfte) sind. Sie bestehen aus kleinen Energiepaketen (Lichtquanten) und breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.
Photonen haben verschiedene Eigenschaften, wie zum Beispiel ihre Wellenlänge oder ihre Frequenz. Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenmaxima (auch Wellenberge). Bei ihrer Frequenz handelt es sich um die Anzahl von Wellen pro Zeiteinheit.
Im Alltag begegnet uns elektromagnetische Strahlung meist als sichtbares Licht, also Photonen mit einer Wellenlänge zwischen 350 und 750 Nanometern (nm). Das ist jedoch nur ein winziger Teil des elektromagnetischen Spektrums. Dieses umfasst alle bekannten Wellenlängen des Lichts. Einige können wir Menschen nur mit Hilfe von Technologie wahrnehmen, zum Beispiel die Röntgenstrahlung.
Auf der folgenden Abbildung siehst du das elektromagnetische Spektrum. Je nach Abhängigkeit von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung teilen wir dieses in bestimmte Bereiche ein. Je kleiner die Wellenlänge ist, desto höher ist die Energie des Photons. Die hochenergetischsten Photonen findest du also im Bereich der Gammastrahlung.
Abb. 1 - Das elektromagnetische Spektrum
Auch wenn wir die hochenergetischen Strahlungen außerhalb des sichtbaren Lichts nicht sehen können, haben sie einen großen Einfluss auf unser Leben und können sogar gefährlich werden.
Die Sonne sendet jeden Tag große Mengen an elektromagnetischer Strahlung in Richtung Erde. Dabei handelt es sich jedoch nicht nur um Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts. Auch andere Bereiche, wie Radiowellen oder Röntgenstrahlung befinden sich im Energiespektrum der Sonne. Das meiste der sehr hochenergetischen Sonnenstrahlung, wird jedoch von dem Erdmagnetfeld und der Atmosphäre abgehalten.
Allerding gelangt zum Beispiel UV-Strahlung bis an die Oberfläche. Diese Strahlung hat viel Energie und kann bis in den Kern unserer Zellen vordringen. Dort kann es zu Schäden an der Zelle oder DNA kommen, was zu Sonnenbränden führt und das Risiko für Hautkrebs erheblich steigert. Deshalb schützen wir unsere Haut mit Sonnencreme. Dies Moleküle in der Sonnencreme können die UV-Strahlung reflektieren oder absorbieren und in Wärmestrahlung umwandeln.
Abb. 2 - Wirkungsweise von Sonnencreme
Die Moleküle in der Sonnencreme können also elektromagnetische Strahlung, wie UV-Licht, absorbieren. Jetzt wird es zeit, dass wir den Prozess der Absorption auf dem Level der Atome genauer betrachten.
Schauen wir uns zunächst das Bohrsche Atommodell an.
Beim Bohrschen Atommodell besteht das Atom aus einem Kern, in dem sich positiv geladene Protonen und neutral geladene Neutronen befinden. Die Elektronen umkreisen den Kern auf festgelegten Bahnen - wie die Planeten unser Zentralgestirn, die Sonne.
Das Bohrsche Atommodell kannst du in Abbildung 3 erkennen:
Abb. 3 - Das Bohrsche Atommodell
Diese Bahnen (auch Schalen oder Orbitale) entsprechen jeweils einem bestimmten Energieniveau. Je weiter außen sich das Elektron auf einer Schale befindet, desto mehr Energie besitzt es und desto höher ist sein Energieniveau. Elektronen können nur ganz bestimmte Energien (entspricht den festgelegten Bahnen) annehmen, deshalb sprichst du auch von diskreten Energieniveaus.
Allerdings können Elektronen auch ihr Energieniveau wechseln. Um auf ein höheres Energieniveau zu gelangen, muss das Elektron Energie aufnehmen, zum Beispiel durch die Absorption eines Photons. Dieses überträgt dem Elektron dabei seine Energie.
Abb. 4 - Absorption von Photonen im Atom
Die Energie des Photons muss exakt der Differenz zwischen der Energie der höheren Schale und dem derzeitigen Energielevel des Elektrons betragen. Ist die Wellenlänge des Photons zu groß oder zu klein, werden dieses auch nicht absorbiert.
Berechnung der Energie
Wir wollen und jetzt konkret anschauen, wie du die Energie und Wellenlänge des absorbierten Photons berechnen kannst. Das Photon wird nur absorbiert, wenn seine Energie genau der Differenz zwischen dem derzeitigen Energieniveau des Elektrons und einem weiteren Energieniveau beträgt. Also können wir die Energie des Photons berechnen, indem wir die Differenz der Energieniveaus herausfinden.
Um die Energiedifferenz zu berechnen, musst du einfach die Energie der höheren von der Energie der niedrigeren Schale abziehen. Du berechnest sie mit folgender Formel:
Aus dieser Formel können wir jetzt sogar die
Frequenz des Photons berechnen. Dazu brauchen wir zunächst die folgende Formel, nach der sich die Energie aus der
Frequenz f des Photons multipliziert mit der sogenannten
Planck-Konstante h berechnet:
Indem wir nun beide Seiten des Bruchs durch die Planck-Konstante dividieren, erhalten wir die Formel für die Frequenz eines Photons:
Aus der Frequenz oder der Energiedifferenz lässt sich auch die Wellenlänge eines Photons berechnen. Dafür musst du nur folgende Formel anwenden:
Bei dieser Formel eignet es sich, das Ergebnis von Metern in Nanometer umzurechnen, da dies die Einheit ist, in der man die Wellenlänge normalerweise angibt.
Durch die Wellenlänge weißt du nun, welche Farbe das emittierte Photon hat. Dazu vergleichst du dein Ergebnis in Nanometern mit dem elektromagnetischen Spektrum . Berechnest du für die Wellenlänge zum Beispiel 450 Nanometer (nm), erscheint das emittierte Photon für uns in blauer Farbe.
Dieser Zustand ist jedoch sehr instabil, deshalb kehren Elektronen schon nach dem Bruchteil einer Sekunde in ihren vorherigen Zustand zurück. Dabei geben sie zuvor aufgenommene Energie in Form eines Photons ab, das bezeichnest du als Emission. Schau dir am dazu am besten unseren Artikel zum Thema Emission von Photonen an.
Abb. 5 - Atomarer Energieaustausch
Am besten schauen wir uns noch ein beliebtes Experiment aus dem Physik-Unterricht an: Die Natriumdampflampe. Anhand dessen können wir auch gleich die Berechnung der Energie üben.
Experiment
Für dieses Experiment brauchst du:
- eine Natriumdampflampe
- einen Bunsenbrenner
- einen weißen Schirm
- ein Stäbchen mit etwas Kochsalz (NaCl).
Zunächst stellst du den Bunsenbrenner zwischen den Schirm und die Lichtquelle. Anschließend schaltest du den Bunsenbrenner an.Noch ist auf dem Schirm nichts zu sehen – schließlich wirft Licht keinen Schatten.
Doch dann hältst du das Stäbchen mit dem NatriumClorid (NaCl) in die Flamme. Auf dem Schirm erscheint sofort der Schatten einer Flamme
Aufgabe 1
- Erkläre das Auftauchen des Schattens
- Berechne die Wellenlänge eines Photons aus der Natriumdampflampe, wenn ein Elektron in einem Natrium-Atom durch eine Energie von 2,12 eV auf ein höheres Energieniveau wechseln kann.
- Welche Farbe hat das Licht von Photonen dieser Wellenlänge?
Abb. 6 - Natriumdampflampe
Lösung
1. Zunächst die Erklärung: Die Photonen von der Natriumdampflampe haben eine ganz spezielle Wellenlänge, die circa bei 590 Nanometern (nm) liegt. Du kannst dir die Wellenlänge eines Elements wie seinen Fingerabdruck vorstellen, er ist spezifisch nur für dieses Element. Im folgenden Bild siehst du das Linienspektrum von Natrium.
Abb. 7 - Linienspektrum von Natrium
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Wenn du nun das Kochsalz in die Flamme hältst, absorbieren die Natrium-Atome des Kochsalzes die von der Dampflampe emittierten Photonen. Entsprechend kommen diese nicht mehr hinten auf dem Schirm an und es zeichnet sich ein flammenförmiger Schatten ab.
2. Die Photonen werden von Natrium absorbiert. Damit Absorption zustande kommt, muss die Energie des Photons genau der Differenz zwischen zwei Schalen in einem Atom betragen. Im Fall von Natrium sind das 2,11 eV.
Mit unserer eben gelernten Formel können wir nun die Wellenlänge berechnen.
Zunächst schreiben wir die Formel auf, die wir benötigen, meistens gibt das in der Klausur schon mal einen Punkt.
Als nächstes setzen wir die Werte für die Energiedifferenz, die Plank-Konstante und die Lichtgeschwindigkeit in die Formel ein. Dabei eignet es sich den Wert der Plank-Konstante in Elektronenvolt (eV) zu nehmen, da auch die Energiedifferenz in Elektronenvolt angegeben ist.
Jetzt können wir die Gleichung einfach ausrechnen. Die Elektronenvolt (eV) und die Zeit in Sekunden (s) kürzen sich aus dem Bruch raus. Entsprechend erhalten wir unser Ergebnis in der Einheit Meter (m).
Zuletzt können wir noch unser Ergebnis in Nanometer umrechnen. Das hilft uns dabei, später die Wellenlänge mit dem elektromagnetischen Spektrum zu vergleichen.
3. Photonen, die von Natrium absorbiert werden können, haben also eine Wellenlänge von 590 nm. Bei einem Vergleich mit dem elektromagnetischen Spektrums siehst du, dass diese Wellenlänge im sichtbaren Bereich liegt und die Farbe gelb hat.
Absorption von Photonen – Energiestufenmodell
Der Begriff Energieniveau ist sehr abstrakt, um sich das besser vorstellen zu können, verwenden wir in der Physik einfachere Modelle. Die verschiedenen Energieniveaus der Elektronen werden in der Physik durch sogenannte Termschemata oder auch Energiestufenmodelle veranschaulicht. So ein Termschema siehst du auf der folgenden Abbildung.
Abb. 8 - Termschema
Die vertikale Linie gibt die Energie der Elektronen im Atom an. Die horizontalen Linien, die mit der Hauptquantenzahl n nummeriert werden, stellen die unterschiedlichen Energieniveaus dar. Die unterste Linie ist der niedrigste Energiezustand des Atoms, der sogenannte Grundzustand. Alle Energieniveaus zusammen heißen auch Energiespektrum eines Atoms.
Unterschiedliche Elemente besitzen unterschiedlich viele Energieniveaus und mit unterschiedlichen Energiebeträgen. Die Energie wird immer in eV und mit negativem Vorzeichen angegeben. Das Vorzeichen ist negativ, da die Elektronen an das Atom gebunden sind.
Du kannst die Energieniveaus verschiedener Atome auch berechnen. Das funktioniert jedoch bei jedem Atom mit einer anderen Formel, als Beispiel schauen wir uns die Berechnung der Energieniveaus von Wasserstoff an.
Zur Berechnung der einzelnen Energiestufen von Wasserstoff verwendest du die folgende Formel. Dabei multiplizierst du mit der Energie -13,6eV (das ist die Energie des Grundzustands in einem Wasserstoffatom) mit dem Quotienten aus 1 und dem Quadrat der Hauptquantenzahl:
Mit 13,6 eV wird in der Physik die sogenannte Rydberg-Energie 
Absorptionsspektrum
Joseph von Fraunhof entdeckte 1812 dunkle Linien im kontinuierlichen Spektrum der Sonne. Durch eingehende Untersuchungen konnte er ganze 570 dieser Linien entdecken. In Abbildung 6 siehst du die sogenannten Fraunhofer Linien, die nach ihrem Entdecker benannt wurden.
Abb. 9 - Fraunhofer Linien
In der Physik gibt es kontinuierliche und diskrete Energiespektren. Diskrete Energiespektren bestehen aus farbigen parallelen Linien. Sie entstehen bei der Emission von Photonen wenn Elektronen in ihren Grundzustand zurückfallen und dabei Photonen bestimmter Wellenlänge (Farbe) aussenden. Kontinuierliche Spektren erkennst du an dem fließenden Farbübergang, sie entstehen zum Beispiel bei heißen Objekten oder Flüssigkeiten. Die Sonne besitzt beispielsweise ein kontinuierliches Spektrum.
Diese dunklen Linien entstehen, wenn das Licht aus dem Inneren der Sonne die Sonnenatmosphäre durchqueren. Die Atmosphäre der Sonne besteht aus kühleren Gasen und die Atome dieser Gase absorbieren Photonen bestimmter Wellenlänge. Diese Wellenlängen fehlen folglich im Spektrum der Sonne. Es handelt sich also um Absorptionslinien.
Solche Linien entstehen immer dann, wenn ein Körper nur einen Teil des einfallenden Lichts absorbiert. Die Elektronen in den Atomen des Körpers können, wie wir bereits wissen, nur bestimmte Energien - also Photonen bestimmter Wellenlänge – aufnehmen. Die Fraunhofer Linien sind ein typisches Beispiel für ein Absorptionsspektrum.
Absorption von Photonen – Der Photoelektrische Effekt
Der Photoelektrische Effekt ist einer der wichtigsten Effekte in der Physik, wenn es um Photonen geht und auch hier spielt Absorption eine große Rolle. Deshalb schauen wir uns diesen Effekt nun genauer an.
Beim Photoelektrische Effekt (kurz Photoeffekt) wird elektromagnetische Strahlung (Licht) auf Materie, zum Beispiel eine Metallplatte, gesendet. Dort trifft die Strahlung auf die Elektronen in den Atomhüllen und überträgt diesen ihre Energie. Ist die Energie größer oder gleich der Ionisierungsenergie der Elektronen, können diese das Atom verlassen. Die Restenergie des Photons beschleunigt die herausgelösten Elektronen. Die Geschwindigkeit (kinetische Energie) der herausgelösten Elektronen hängt jedoch nicht von der Intensität des Lichts ab, mit dem die Materie bestrahlt wird, sondern von der Frequenz des Lichts.
Ionisierungsenergie ist die Energie, die du dem Atom zuführen musst, damit mindestens ein Elektron das Atom verlassen kann. Dieses ist dann ein freies Elektron. Dadurch wird das Atom positiv geladen, denn es besitzt nun nicht mehr dieselbe Anzahl an Elektronen und Protonen, deren Ladungen sich ausgleichen. Das Atom wird zu einem positiven Ion, einem Kation. Die Ionisierungsenergie wird größer, mit jedem Elektron, welches den Atomkern verlässt.
Abb. 10 - Photoelektrischer Effekt
Albert Einstein erklärte diesen Effekt, indem er Licht nicht als kontinuierliche Welle sondern als Energiepakete betrachtete, sogenannte Lichtquanten. Er stellte sich Licht also wie einen Teilchenstrom aus Photonen mit gewisser Energie vor. Diese Theorie heißt auch Lichtquantenhypothese.
Einstein ist für die Entwicklung der Relativitätstheorie bekannt. Den Nobelpreis für Physik erhielt er 1921 allerdings für seine Arbeit am photoelektrischen Effekt. Das Experiment spielt eine wichtige Rolle bei der Frage, ob Licht Teilchen oder Welle ist. Mehr dazu erfährst du in unserem Artikel zum Quantenobjekt Photon.
Absorption von Licht und Photosynthese
Zurück zu unserer Frage vom Anfang: Warum sind die Blätter der meisten Pflanzen grün?
Mit unserem gesammelten Wissen über Absorption können wir diese Frage nun beantworten.
Pigmente in den Blättern der Pflanzen, absorbiert einen Teil des Sonnenlichts mit ganz spezieller Wellenlänge.
Für uns ist das der rote und blaue Anteil des Lichts. Diese besitzen also genau die Energie um Elektronen in den Orbitalen der Pigmente auf ein höheres Energieniveau zu heben. Der grüne Anteil wird reflektiert und trifft auf unsere Augen – so erscheinen uns die Blätter grün. Die Pflanzen nutzen die Energie aus den absorbierten Photonen, um Photosynthese zu betreiben.
In Abbildung 8 siehst du das Absorptionsspektrum von Chlorophyll a und b, wichtige Pigmente in den Blättern von Pflanzen. In dem Bereich der Wellenläge, in dem die Spitzen der Graphen sind, absorbieren die Pigmente am meisten Photonen, also im roten und blauen Bereich. Du siehst, dass im grünen Bereich nahezu keine Absorption stattfindet, daher nennt man diesen Bereich auch Grünlücke. Diese Photonen werden reflektiert.
Abb. 11 - Absorption bei der Photosynthese
Absorption von Photonen - Das Wichtigste auf einen Blick
- Absorption bezeichnet in der Physik die Aufnahme von Teilchen- oder Wellenstrahlung durch Atome oder Moleküle.
- Durch Absorption von Photonen (Lichtquanten) mit spezieller Wellenlänge können Elektronen auf ein höheres Energieniveau gelangen.
- Die Energiedifferenz berechnet sich aus:
- Geben Elektronen diese Energie als Photon wieder ab, nennst du das Emission.
- Die Energie eines Photons berechnest du mit folgender Formel:
- Du kannst die Energieniveaus durch ein sogenanntes Termschema veranschaulichen.
- Bei Wasserstoff ergeben sich die Energien der verschiedenen Stufen aus:
- Die Fraunhofer Linien im Spektrum der Sonne sind ein Beispiel für ein Absorptionsspektrum. Sie entstehen, weil Gase in der Sonnenatmosphäre Photonen bestimmter Wellenlänge absorbieren. Diese Photonen fehlen dann im Spektrum
- Pflanzen nutzen die Absorption von Photonen für sie Photosynthese. Dabei absorbieren sie allerdings nur Licht im roten und blauen Bereich und reflektieren grünes Licht. Deshalb erscheinen uns ihre Blätter grün.
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