Wie wird Licht zu Wärme?
Hallo zusammen,
diesmal habe ich eine Frage an Physiker und Chemiker;)
und zwar frage ich mich, wie auf genauer atomarer Ebene Licht in Wärme umgewandelt wird.
Zum Kontext: Ich schreibe gerade meine W-Seminararbeit über Giftschlangen, und eine von diesen, der Inlandtaipan, ändert seine Farbe von gelb im Sommer zu fast schwarz im Winter. Schon klar, er will sich damit im Winter warmhalten, schließlich weiß man ja, dass dunkle Gegenstände wärmer werden.
Aber ich frag mich jetzt, wie genau das funktioniert.
Mir ist klar, dass das mit der Absorbtion von Licht zu tun hat. Irgendetwas auf molekularer Ebene verändert sich vermutlich da in der Haut der Schlange. Meine Theorie ist: irgendeine Änderung in Richtung Elektronen delokalisieren.
Delokalisierte Elektronen brauchen ja weniger Energie, um angeregt zu werden. Ändert sich etwas in den Molekülen der Haut der Schlange, sodass die Elektronen dieser Moleküle delokalisierter sind, dann wird reicht nun auch Energie von Licht aus dem längerwelligeren Bereich aus, um die Elektronen anzuregen.
Wird dieses Licht absorbiert, also durch diese Verschiebung (fast) alles Licht aus dem sichtbaren Bereich, erscheint die Schlange viel dunkler bzw fast schwarz.
Wäre toll, wenn mir das soweit schonmal jemand bestätigen könnte:)
Und jetzt die eigentliche Frage: Wie genau führt dann die dunklere Hautfarbe zu einer höheren Temperatur?
Eigentlich lautet meine Frage: Warum gehen die Elektronen der Moleküle in der dunklen Schlangenhaut nicht aus dem instablilen, erregten Zustand in den Grundzustand über, indem sie die Aktivierungsenergie in Form von Photonen, also Licht, wieder abgeben? Schon klar, dann würde die Haut ja nicht schwarz sondern farbig sein, aber warum wird beim Übergang vom angereten Zustand in den Grundzustand die Energie in - logischerweise - Wärmeenergie abgegeben? Und wie funktioniert das überhaupt, diese Umwandlung in Wärmeenergie?
Wär super, wenn mir da jemand weiterhelfen könnte!
Ganz liebe Grüße,
Luisa
3 Antworten
Unwahrscheinlich, dass das Tier direkt was an den vorhandenen Molekülen schraubt. Wenn dann wird die Produktion von verschiedenen Farbstoffen angeregt.
Prinzipiell hast du aber schon mal recht, dass diese Moleküle ein größeres Elektronensystem haben müssen, um längerwelliges Licht zu absorbieren.
Warum gehen die Elektronen der Moleküle in der dunklen Schlangenhaut nicht aus dem instablilen, erregten Zustand in den Grundzustand über, indem sie die Aktivierungsenergie in Form von Photonen, also Licht, wieder abgeben?
Weil bei fast allen Molekülen die energetische Abregung durch Vibrationen (bzw. Stöße mit anderen Molekülen) um Größenordnungen schneller ist als ein Photon abzugeben. Damit beantwortet sich auch deine Frage zur Erzeugung von Wärme. Wärme ist (im Prinzip) Teilchenbewegung. Durch die Abregung der angeregten Zustände durch Vibrationen wird genau das erreicht.
Schon klar, dann würde die Haut ja nicht schwarz sondern farbig sein,
Nö. Die Farbe kommt von dem Licht, das nicht absorbiert wurde. Nicht von Licht das aktiv ausgesendet wird (das passiert nicht). Beispiel: Absorbiert ein Gegenstand violettes Licht, so erscheint er für uns in der Komplementärfarbe zu violett, nämlich gelb. Das liegt daran, dass weißes Licht aus dem der violette Teil entfernt wird eben gelb aussieht.
Ganz allgemein: Licht, also elektromagnetische Strahlung, kann verschiedene Dinge anregen, abhängig davon wie energiereich die Strahlung ist. Mikrowellen regen Rotationen an, Infrarot Vibrationen, sichtbares und UV Licht können dagegen schon elektronische Übergänge anregen.
Durch das Licht werden entweder direkt Molekülschwingungen angeregt, die dann durch Stöße wieder abreagieren oder erstmal Elektronen in einen energetisch höheren Zustand angehoben. Diese Energie können sie jetzt im Prinzip auf zwei Wege wieder loswerden. Entweder sie stecken die Energie in ein Photon und senden das aus oder sie überführen die Energie in andere Zustände, also Vibration, Rotation oder Translation. Das können ihre eigenen sein oder auch von anderen Molekülen mit denen sie zusammenstoßen. Also stells dir vielleicht vor wie beim Billiard. Wenn die weiße Kugel mit einer anderen zusammenstößt wird sie deutlich langsamer, verliert also Energie, die dann auf die andere Kugel übertragen wird.
Wie genau aus angeregten Elektronen Vibrationen werden, geht sehr weit in die Physik von Atome hinein und sprengt hier jeglichen Rahmen.
Dankeschön!! Hättest du vielleicht einen Link oder einen Buchtitel für mich zum Nachschauen?
Du kannst mal in "Physikalische Chemie" von Peter Atkins schauen. Aber ich bezweifle, dass das wirklich darüber hinaus geht als nur zu sagen: elektronisch angeregte Zustände können über internal conversion in vibrationsangeregte Zustände übergehen.
Warum das geht hat was mit den Potentialtöpfen der Zustände und ihrer Lage zu tun bzw wie gut sie zueinander passen. Jeder elektronisch angeregte Zustand enthält auch Vibrationszustände. Passt nun ein der aktuelle Vibrationszustand des Teilchens im angeregten Zustand gut zu einem des Grundzustands kann das Teilchen den Zustand wechseln. Das ganze wird über sogenannte Franck-Condon-Faktoren beschrieben und ist sehr theoretisch.
Ich hab das bis kurz vor Ende des Bachelorstudiums nie so wirklich verstanden, das sagt glaub ich schon alles.
puhh okay ja dann denke ich sollte das für meine W-Seminararbeit völlig ausreichen. Vielen Dank!
und zwar frage ich mich, wie auf genauer atomarer Ebene Licht in Wärme umgewandelt wird.
Gar nicht. Du verwendest den Begriff Wärme falsch. Die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Temperatur besitzt, nennt man innere Energie und nicht Wärme.
Wärme ist eine Prozessgröße. Wärme geht von einem System in ein anderes System über. So gibt ein Ofen Wärme ab, beinhaltet aber keine Wärme, sondern innere Energie.
Was in deinem Fall passiert ist daher, dass Strahlungsenergie direkt in innere Energie umgewandelt wird, wodurch die Temparetur der Schlange steigt.
chat GPT antwortet auf deine Frage:
Wenn sich ein Körper durch den Einfall von Lichtstrahlung erwärmt, geschieht dies auf atomarer und molekularer Ebene durch verschiedene Prozesse, hauptsächlich Absorption und Emission von Photonen sowie erhöhte thermische Bewegung der Atome und Moleküle. Hier ist eine vereinfachte Erklärung:
- Absorption von Photonen: Wenn Lichtstrahlen auf die Oberfläche eines Körpers treffen, bestehen sie aus Photonen, die eine bestimmte Energie haben, abhängig von ihrer Wellenlänge. Die Atome und Moleküle des Körpers können Photonen absorbieren, wenn ihre Energie mit der Energie der Photonen übereinstimmt. Dies führt dazu, dass Elektronen in den Atomen auf ein höheres Energieniveau angehoben werden.
- Erhöhte thermische Bewegung: Die absorbierte Energie wird nicht dauerhaft in Form von Elektronen auf höheren Energieniveaus gespeichert. Stattdessen wird die Energie in Form von erhöhter thermischer Bewegung der Atome und Moleküle umgewandelt. Die Atome und Moleküle beginnen schneller zu vibrieren und sich zu bewegen, was zu einer Erhöhung der Temperatur des Körpers führt.
- Emission von Photonen: Nachdem die Atome und Moleküle Energie aufgenommen haben und sich in einem angeregten Zustand befinden, können sie diese Energie wieder abgeben, indem sie Photonen emittieren. Diese abgegebenen Photonen haben normalerweise eine geringere Energie als die absorbierten Photonen, da ein Teil der Energie in Form von Wärme verloren geht. Dies führt zu einer Aussendung von Infrarotstrahlung, die als Wärmestrahlung bezeichnet wird.
Insgesamt führt die Absorption von Lichtstrahlung dazu, dass die Atome und Moleküle eines Körpers mehr Energie erhalten, was zu einer Erhöhung der Temperatur führt. Dieser Temperaturanstieg ist das Ergebnis der erhöhten thermischen Bewegung der Teilchen im Körper und der Emission von Infrarotstrahlung als Wärmestrahlung. Dieser Prozess ist Teil des grundlegenden Prinzips der Thermodynamik und spielt eine wichtige Rolle in der Wärmeübertragung und der Erwärmung von Objekten durch Licht.
Danke dir! Auf die Idee mit Chat GPT bin ich noch gar nicht gekommen, nicht schlecht!
Man kann auch Photonen und Absorption durch gedämpfte Schwingungen beschreiben.
In der Regel sind es keine Atomorbitale, sondern Molekülorbitale, die für organische Moleküle im Sichtbaren absorbieren. Die Elektronen sind durch Pi-Systeme im gesamten Molekül delokalisiert.
Auch Wellenfunktionen sind quasi eine Art Schwingung oder stehende Welle. Es gibt Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen tieferen und höheren Orbitalen.
Das zugehörige Energieschema heißt Jablonski-Schema. Angeregte Zustände können Pikosekunden bis Stunden halten und müssen auf verschiedene Arten deaktiviert werden: Fluoreszenz, Phosphoreszenz, strahlungslos. Es gibt feinere Abstufungen, die auch Schwingung und Rotation umfassen. Die kann man direkt mit Infrarot oder Mikrowellen anregen, weil sie viel energieärmer sind als "Quantensprünge", sind aber auch gequantelt. Iod, I2, z. B. hat 65 Schwingungs-Obertöne, bis das Molekül so hart schwingt, dass es zerfällt.
In Metallen gibt es den Photoeffekt, Valenz-/Leitungsband und Plasmonen-Wellen.
Die Quantenmechanik dahinter ist relativ kompliziert. Viel Symmetrie, Drehimpulserhaltung. Nicht mal richtig berechnen kann man das meiste.
Vielen Dank, das ist sehr hilfreich! Könntest du mir vielleicht noch etwas genauer erklären, wie das mit der Vibration funktioniert? Als wie genau kommt es zu einer Vibration, wenn die Elektronen wieder in den Grundzustand übergehen?