Absorption (Physik)

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Der Begriff Absorption (lat.: absorptio = Aufsaugung) bezeichnet im Allgemeinen das Aufsaugen, das In-sich-Aufnehmen von etwas. In der Physik ist die Energie-Absorption mit Dissipation in einem Körper verbunden und ist damit von einem Energiedurchgang zu unterscheiden.

Die Stärke der Absorption wird durch einen Materialparameter beschrieben, den Absorptionsgrad $α$ , engl. absorption coefficient, der i. d. R. von einer Vielzahl von Parametern nichtlinear abhängig ist.

Inhaltsverzeichnis

1 Absorption von Strömen
2 Absorption von Teilchen
3 Akustik
4 Optik
5 Gammastrahlung
6 Fernerkundung
7 Absorption in der Verfahrenstechnik
- 7.1 Chemische Absorption von Gasen
- 7.2 Filtration von Schwebstoffen
8 Siehe auch
9 Weblinks

[Bearbeiten] Absorption von Strömen

Erfolgt die Absorption von Strömen in einem dicken absorbierenden Material so, dass die Wahrscheinlichkeit der Absorption pro Wegeinheit in jeder Eindringtiefe gleich ist, gilt ein exponentielles Gesetz, das Bouguer-Lambertsche Gesetz (meist kurz Lambertsches Gesetz genannt, vgl. aber Lambertsches Kosinusgesetz). Ist $I 0$ der ursprüngliche Strom, beträgt der nach Durchlaufen der Schichtdicke $d$ noch vorhandene Strom I(d):

$\frac{I(d)}{I_0} = e ^{(-a d)} = \tau \,$

(Herleitung des Gesetzes: siehe Absorptionsgesetz). Dabei ist $a$ der von den Eigenschaften des absorbierenden Materials und in der Regel von der Energie des Stromes abhängige Absorptionskoeffizient. Sein Kehrwert ist die Eindringtiefe. Aus ihm lässt sich die Dicke der Halbwertsschicht berechnen.

[Bearbeiten] Absorption von Teilchen

Unter der oben gemachten Voraussetzung gilt das gleiche Gesetz auch für einen Strom von Teilchen.

Handelt es sich aber um ein geschlossenes System mit einer Flüssigkeit und einem Gas, so 'strömen' zunächst die Teilchen in die Flüssigkeit, bis die Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit erreicht ist. Dabei handelt es sich dann um ein dynamisches Gleichgewicht, d. h. der Teilchenstrom in die Flüssigkeit ist genauso groß wie der Teilchenstrom in die Gasphase.

Die Absorptionsrate $\dot N$ hängt hier hauptsächlich von der Menge eingelagerten Gases $N a b s$ in der Flüssigkeit ab:

$\dot N \approx \frac{N_{\mathrm abs}}{L} \,$

wobei L die Löslichkeit ist (hier als absolute Menge).

[Bearbeiten] Akustik

Die Absorption von Schall findet durch Umwandlung von Schall- in thermische Energie in der hydrodynamischen Grenzschicht und der thermischen Grenzschicht zwischen einem Fluid (z. B. Luft), dem sich der Schall ausbreitet und einem Festkörper statt (Näheres siehe Schalldämpfung). Die Schallabsorption an einer Oberfläche wird durch den Schallabsorptionsgrad $α$ beschrieben.

[Bearbeiten] Optik

Auch Licht wird von Materie absorbiert. Die Lichtabsorption erfolgt meistens frequenzabhängig, also je nach Farbe unterschiedlich stark. Wird beispielsweise eine gelbe Oberfläche mit (weißem) Tageslicht bestrahlt, so wird nur ein Teil des Lichtes reflektiert (bzw. bei transparenten Materialien transmittiert) und ein Teil absorbiert – man spricht auch von Remission. Dabei handelt es sich im Beispiel um den Spektralbereich der Lichtfarben (additive Farbmischung), der nicht im gelben Farbanteil enthalten ist. Dieser Effekt wird u. a. für Farbfilter ausgenutzt.

Photonen bestimmter Energie regen dabei Atome oder Moleküle an, die einen Niveauunterschied mit genau dieser Energiedifferenz in der Elektronenhülle besitzen. Die Menge der noch nicht absorbierten Photonen hängt dabei nach dem Lambert-Beerschen Gesetz von der Schichtdicke des Materials ab.

Die Absorption kann auch direkt aus der Dielektrizitätskonstante bzw. der Brechzahl über die Kramers-Kronig-Relation abgeleitet werden. Damit wird die elektromagnetische Wechselwirkung direkt mit einer Materialeigenschaft in Beziehung gesetzt.

Siehe auch:

| Absorptionsbande | Absorptionswerte chemischer Substanzen | Extinktion = optische Dichte (ND) = Absorbanz |

[Bearbeiten] Gammastrahlung

Der totale Absorptionskoeffizient μ von Aluminium (₁₃Al) für Gammastrahlung, als Funktion der Gammaenergie, und die Beiträge der drei einzelnen Prozesse. Der Comptoneffekt überwiegt im ganzen gezeigten Bereich.

Der totale Absorptionskoeffizient μ von Blei (₈₂Pb) für Gammastrahlung, als Funktion der Gammaenergie, und die Beiträge der drei einzelnen Prozesse. Der Photoeffekt überwiegt bei kleinen Energien; die Paarbildung beginnt bei 5 MeV zu überwiegen.

Beim Durchgang von Gammastrahlung durch Materie ist die Wahrscheinlichkeit für Absorption der Dicke d des durchstrahlten Stoffes proportional. Daraus ergibt sich eine exponentielle Abnahme der Intensität mit der Dicke:

$I(d) = I_0 \cdot e ^{(-\mu d)} \,$

Hier ist μ = n × σ der Absorptionskoeffizient, gemessen in cm⁻¹, n die Zahl der Atome im Material pro cm³ und σ der Wirkungsquerschnitt für Absorption. In der Optik (siehe oben) heißt dieses Gesetz das Lambertsche Gesetz. Man kann die Schwächung des Strahls auch durch eine Halbwertsdicke beschreiben; diese ist dem Absorptionskoeffizienten umgekehrt proportional.

Ein Gammaquant kann

durch photoelektrischen Effekt absorbiert werden, wobei ein Elektron mit der Energie des Quants (verringert um die Ionisationsenergie des Materials) freigesetzt wird,
oder es gibt durch Comptoneffekt seine Energie teilweise an ein Elektron ab – das gestreute Photon kann dieses bei genügender Restenergie dann wieder tun –,
oder es wird (bei Energie von mindestens 1,022 MeV) durch Paarbildung in Nähe eines Atomkerns in ein Positron und ein Elektron verwandelt.

Die Wahrscheinlichkeit bzw. der Wirkungsquerschnitt für jeden dieser Prozesse hängt von der Energie der Photonen und der Ordnungszahl der Materie ab: der photoelektrische Effekt überwiegt für kleine Energien und hohe Ordnungszahl, die Paarbildung für hohe Energien und hohe Ordnungszahl, der Comptoneffekt für mittlere Energien und niedrige Ordnungszahl.

Der Gesamtwirkungsquerschnitt für Absorption ist gleich der Summe aus den Einzelquerschnitten für die drei Prozesse:

$\sigma = \sigma_\mathrm{Photo} + \sigma_\mathrm{Compton} + \sigma_\mathrm{Paar}\,$ .

Die freigesetzten Elektronen aus allen drei Prozessen können ihrerseits bei genügender Energie weiter ionisierend wirken.

Die beschriebene exponentielle Abnahme gilt nur im Idealfall bei einem dünnen Strahl ohne Hineinstreuung von außen; sie gilt nicht für die Absorption durch eine breite Betonwand.

[Bearbeiten] Fernerkundung

In der Fernerkundung bezieht sich der Ausdruck auf das Aufnehmen von elektromagnetischer Energie durch Material der Atmosphäre oder der Oberfläche. So kann vorübergehend Energie gebündelt werden. Variation der Absorptionszusammenhänge/-muster hilft, zwischen verschiedenen Materialien zu unterscheiden. Zur Anwendung kommt das Lambert-Beersche Gesetz.

[Bearbeiten] Absorption in der Verfahrenstechnik

[Bearbeiten] Chemische Absorption von Gasen

Als Absorption von Gasen bezeichnet man das Eindringen von Gasen oder Gasgemischen in eine Flüssigkeit oder einen festen Stoff. Dieser wird Absorptionsmittel (oder Absorbens), das aufgenommene Gas wird Absorbat genannt.

Das Gas wird bei gegebener Temperatur im Absorptionsmittel gelöst, wobei Wärme (Absorptionswärme oder Lösungswärme) entsteht. Wenn bei der Lösung der Gase auch chemische Reaktionen stattfinden, so wird der Gleichgewichtszustand durch das Massenwirkungsgesetz bestimmt.

Finden bei der Lösung der Gase keine chemischen Reaktionen statt, so gilt für Flüssigkeiten bei niedrigem Druck näherungsweise das Henrysche Gesetz: Bei gegebener Temperatur ist die Konzentration c eines Gases proportional seinem Druck p über der Flüssigkeit ist: c = k · p. Hierbei ist k der Absorptionskoeffizient, der von der Temperatur und den beteiligten Stoffen abhängt.

Sind mehrere Gase an der Absorption beteiligt, so werden sie unabhängig voneinander gemäß ihrem jeweiligen Partialdruck p_x in der Gasphase gelöst:

c_x = k_x · p_x (Henry-Daltonscher Verteilungssatz).

Sind bei einem Gas mehrere nicht mischbare Flüssigkeiten als Absorptionsmittel beteiligt, so ist das Verhältnis der Konzentrationen unabhängig von der Menge des gelösten Stoffes und der Flüssigkeiten und hängt nur von der Temperatur und den Stoffen ab (Nernstscher Verteilungssatz).

Die Absorption von Gasen in Flüssigkeiten wird in der Kältetechnik für Absorptionskühlgeräte verwendet.

[Bearbeiten] Filtration von Schwebstoffen

Schwebstoffen oder Gasen werden durch einen Filter aus einem Luftstrom von einem feinmaschigen Netz gefiltert. Werden diese durch eine reaktive Oberfläche (Aktivkohle) fest gebunden, so spricht man hingegen von Adsorption.

Das Maß der Filtration hängt hier von der Rückhaltefähigkeit und Aufnahmefähigkeit ab. Bei mechanischen Filter steigt die Rückhaltefähigkeit mit der Belegung, da die Schwebstoffe langsam die feinden Poren des Filters zusetzen. Dabei nimmt aber der Luftwiderstand des Filters zu. Für chemische Filter gilt es umgekehrt: Je stärker der Filter belegt ist, desto geringer ist die Rückhaltefähigkeit.

Dabei ist es prinzipiell egal, ob das Trägermedium Luft oder eine Flüssigkeit ist.

Wird der Gas oder Luftstrom durch eine Waschflüssigkeit geleitet so spricht man von Gaswäsche oder auch von Absorption. Dabei werden die zu absorbierenden Gaskomponenten (Absorptiv - ungebunden, Absorbt - gebunden) molukular in der Waschflüssigkeit (Absorbens – unbeladen, Absorbat – beladen) gebunden. Die physikalische Bindung wird als Physisorption, die leichte chemische Bindung als Chemisorption bezeichnet. Das Austreiben der nun gebundenen Gaskomponenten kann durch Druckverringerung und Temperaturerhöhung erfolgen.