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Licht

Licht

Licht ist der Teil der elektromagnetischen Strahlung, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Dies sind die elektromagnetischen Wellen im Bereich von etwa 380-780 Nanometer (nm) Wellenlänge. Die unterschiedliche Empfindlichkeit von Pigment-Molekülen (Blau, Grün-Gelb, Orange-Rot) in verschiedenen Sehzapfenarten und Stäbchen des menschlichen Auges für verschiedene Wellenlängen (V(λ)-Kurve) ist Thema der Fotometrie. Während die Sehzapfen für Farbsehen verantwortlich sind, registrieren die Sehstäbchen in der Netzhaut mit den Retinal-Molekülen unter Rhodopsin-Abspaltung bei Photonen-Einfang die Lichtstärke. Wenn Elektronen vom einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres Energieniveau springen, werden Photonen emittiert, diese können vom Menschen als Licht wahrgenommen werden (Lumineszenz). Meist wird die Energie beim Rückfallen auf das niedrigere Niveau allerdings als Bewegungsenergie oder thermische Energie (Infrarotstrahlung) abgegeben. Bei den Autotrophen Organismen wird der freiwerdende Energiebetrag in chemischen Verbindungen gebunden (siehe Fotosynthese). Die Farbwirkung des physiologischen Sehens entsteht durch die Absorption einzelner Wellenlängen durch einen organischen oder anorganischen Farbstoff, oder durch die Beugung des weißen Lichtes an einem Kristallgitter. Werden bestimmte Wellenlängen absorbiert, entsteht aus den verblieben Wellenlängen der Farbeindruck (Komplementärfarbe). Ein grünes Blatt absorbiert demnach nicht im Wellenlängenbereich "grün" sondern im komplementären bereich "rot" (680 nm) und "blau" (430 nm). Siehe hierzu Chlorophyll. Bei organischen Farbstoffen können die delokalsierten Pi-Elektronensysteme durch Frequenzen im sichtbaren Bereich auf ein höheres Niveau gehoben werden. Dadurch werden je nach Molekül bestimmte Wellenlängen absorbiert. Bei anorganischen Farbstoffen werden Elektronen aus den d-Orbitalen in energetisch höher gelegene d-Orbitale angeregt (Ligandenfeldtheorie) oder sie wechseln ihre Position zwischen Zentralion und Ligand innerhalb eines Komplexes (Charge-Transfer-Komplexe). Siehe hierzu: Komplexchemie. Das in der Umwelt vorkommende Licht ist eine Mischung unterschiedlicher Wellenlängen. Durch ein Beugungsgitter oder ein Prisma kann man dieses polychromatische Licht in monochromatisches Licht (Licht einer Wellenlänge) zerlegen. Jeder dieser monochromatischen Lichtkomponenten entspricht ein spezifischer menschlicher Farbeindruck, die so genannten Spektralfarben oder Regenbogenfarben. In der Reihenfolge zunehmender Wellenlänge findet man: Wellenlänge Die Übergänge zwischen Farben sind fließend, der persönliche Farbeindruck einzeln benennbarer abzählbarer Farben ist subjektiv und durch Sprache, Tradition sowie Denken bedingt. Die in verschiedenen Sprachen (ursprünglich) vorkommenden Wörter für Farben belegen diese Subjektivität. Die einzelnen Farbbereiche enthalten jeweils verschiedene Farbtöne. So ist der Zwischenbereich zwischen Blau und Grün etwa mit Türkis oder Cyan zu bezeichnen. Andere wahrgenommene Farben (beispielsweise Braun) ergeben sich bei Licht, in dem mehrere Wellenlängen vorkommen (additive Farbmischung) oder durch subtraktive Farbmischung aus gefiltertem weißem Licht. Elektromagnetische Strahlung jenseits der menschlichen Grenze der Sichtbarkeit mit höherer Frequenz bzw. niedrigerer Wellenlänge als violett wird bis zu einer bestimmten Frequenz als Ultraviolett- oder UV-Strahlung bezeichnet; solche mit niedrigerer Frequenz bzw. höherer Wellenlänge als rot bis zu einer bestimmten Wellenlänge als Infrarotstrahlung. Die Bandbreite des sichtbaren Lichts bei Tieren weicht zum Teil erheblich vom menschlichen Sehen ab. Neben der Wellenlänge beziehungsweise Farbe ist Licht noch durch die Kohärenz, Interferenz und die Polarisation und weitere messbare Parameter charakterisiert. Eine der Hauptquellen des Lichtes ist die Sonne. Künstliche Lichtquellen sind beispielsweise Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Leuchtdioden, Laser und chemisches Licht. Begrenzt lichtdurchlässige (nicht transparente) Gegenstände werden auch als "opaque" oder "opak" bezeichnet. Der Grad der Lichtdurchlässigkeit wird dann als Grad der "Opazität" bezeichnet. Licht wird im erklärenden Modell als Welle beschrieben oder alternativ als Strom von Teilchencharakter. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus des Lichtes entzieht sich einer geschlossenen Interpretation, ist aber im Rahmen der Quantenphysik mathematisch präzise beschreibbar. Lichtteilchen werden als Photonen bezeichnet. Sie besitzen keine Ruhemasse und bewegen sich im Vakuum stets mit Lichtgeschwindigkeit.

Licht in der Gesellschaft

Licht ist, wie Feuer, eines der bedeutendsten Phänomene primitiver Kulturen. Künstlich erzeugtes Licht aus Lampen wird allgemein eingesetzt. Es ermöglicht dem Menschen ein angenehmes und sicheres Leben auch bei terrestrischer Dunkelheit (Nacht) und in gedeckten Räumen (Höhlen, Gebäude). Technisch wird die Funktionsgruppe, die Licht erzeugt, als Lampe bezeichnet. Der Halter für die Lampe bildet mit dieser eine Leuchte. Dieses Wort wird auch als Bezeichnung für intelligente Menschen verwendet und lässt die Bedeutung von Intelligenz für die Sozialisation von Individuen in der Gruppe erkennen. Ein Mangel an Intelligenz wird mit geistiger Dunkelheit gleichgesetzt.

Licht unter freiem Himmel

Licht unter freiem Himmel hat bei Dunkelheit eine Hilfsfunktion für die terrestrische Navigation (Fußgänger, Autofahrer), als optisches Signal oder für Schmuck- und Werbezwecke. Es zählt als ein Umweltfaktor zu den Immissionen i.S. des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG) (Deutschland). Lichtimmissionen von Beleuchtungsanlagen können das Wohn- und Schlafbedürfnis von Menschen und Tieren erheblich stören und auch technische Prozesse behindern. Entsprechend sind in der sog. "Licht-Richtlinie" der Länder (Deutschland) Maßstäbe zur Beurteilung der (Raum-)Aufhellung und der (psychologischen) Blendung fest gelegt. Besonders störend kann intensiv farbiges oder blinkendes Licht wirken. Zuständig sind bei Beschwerden die Umwelt- bzw. Immissionsschutzbehörden der Länder (Deutschland). Negative Auswirkungen betreffen die Verkehrssicherheit (Navigation bei Nacht, physiologische Blendung z. B. durch falsch eingestellte Autoscheinwerfer oder durch Flächenbeleuchtungen neben Straßen). Einflüsse auf die Tierwelt (z. B. Anziehen nachtaktiver Insekten, Störung des Vogelflugs bei Zugvögeln) und die allgemeine Aufhellung der Atmosphäre (Lichtverschmutzung, z. B. unmögliche astronomische Beobachtung infolge Streuung des Lampenlichts in der Atmosphäre des Nachthimmels).

Nachweis

Licht kann am einfachsten mit dem Auge nachgewiesen werden, oder mit verschiedenen Instrumenten durch optische Detektoren, wie fotografischem Film oder mit speziellen Strahlungsdetektoren oder Sensoren oder mittelbar durch chemische oder biologische Prozesse wie die Photosynthese oder die Photolyse oder durch physikalische Vorgännge, wie Fluoreszenz oder Photo-Lumineszenz. Sensoren enthalten meist Halbleiterdetektoren, welche Licht in elektrische Spannung umwandeln. Komplexe Sensoren (line arrays / Zeilensensoren und matrix arrays / Flächensensoren), die auch in Scannern und Digitalkameras als Aufnahmeelement dienen.

Größen und Einheiten

- Lichtgeschwindigkeit
- Lichtstrom (Lumen)
- Lichtmenge (Lumensekunde)
- Lichtstärke (Candela)
- Leuchtdichte (Candela/m²)
- Beleuchtungsstärke (Lux)
- Lichtdruck (Optik) (Newtonsekunde)
- Lichtfarbe (Kelvin)
- Lichtjahr (Lj/ly)

Siehe auch

- Reflexion (Physik), Brechung (Physik), Absorption (Physik), Polarisation, Welle (Physik), Elektromagnetische Welle
- eine Lichtquelle (offenes Licht; grünes Licht geben, die Hintergrundbeleuchtung flackerte)
- Polychromatisches Licht
- Diffuses Licht
- Natürliches Licht
- Polarisiertes Licht
- Licht am Tag
- Marfa-Lichter, ungewöhnliche Lichterscheinungen
- Nordlicht
- Erstes Licht, Astronomie
- Tscherenkow-Licht
- Tageslicht
- Glanzlicht
- Lichtfarbe
- Lichtsignal
- Fördergemeinschaft Gutes Licht
- Mehr Licht

Literatur

- Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt.", Annalen der Physik, 1905, Seiten 132-148 (Mit diesem Beitrag begründete Einstein den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts)
- Klaus Hentschel: Einstein und die Lichtquantenhypothese. Naturwissenschaftliche Rundschau 58(6), S. 311 - 319 (2005),
- Thomas Walther, Herbert Walther: Was ist Licht? Von der klassischen Optik zu Quantenoptik, Verlag C.H.Beck, München, 1999, ISBN 3-406-44722-8
- Sidney Perkowitz: Eine kurze Geschichte des Lichts. Die Erforschung eines Mysteriums, Deutscher Taschenbuch Verlag, aus dem Amerikanischen übersetzt von Hainer Kober, München, 1998, ISBN 3-423-33020-1, amerik. Originalausgabe New York, 1996, ISBN 0-8050-3211-8
Weblinks
Real Video (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri):
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=040204.rm Was war der Äther?]
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&f=020317.rm Wird Licht müde?]
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=021208.rm Was ist Licht?]
- [http://www.kisc.meiji.ac.jp/~mmandel/recherche/licht.html Nachweise zum Thema Licht]
- [http://www.infoline-licht.de/ Infoline-Lichtplanung] - Online-Lexikon mit Basiswissen, Beispielen, Terminen, Adressen, etc. Kategorie:Optik Kategorie:Elektrodynamik Kategorie:Wellenlehre ja:光 ko:빛 ms:Cahaya simple:Light th:แสง

Elektromagnetische Welle
Elektromagnetische Wellen sind die uns im Alltag neben Wasserwellen und Schallwellen am häufigsten begegnenden Arten von Wellen. Zu ihnen gehören unter anderem das sichtbare Licht und alle Arten in der Elektrotechnik auftretenden Rundfunkwellen. Im Gegensatz zu Schallwellen, handelt es sich bei elektromagnetischen Wellen, wie bei Wasserwellen, um Transversalwellen, d.h. Ausbreitungsrichtung und Schwingungsrichtung stehen senkrecht zueinander, was am Phänomen der Polarisation bemerkbar wird. Physikalisch betrachtet handelt es sich bei elektromagnetischen Wellen um sich ausbreitende Schwingungen des elektromagnetischen Feldes. Hierbei stehen elektrisches und magnetisches Feld senkrecht aufeinander und haben ein festes Größenverhältnis (in SI-Einheiten ist dieses gerade durch die Lichtgeschwindigkeit c gegeben). Insbesondere verschwinden elektrisches und magnetisches Feld an denselben Orten zur selben Zeit, so dass die häufig gelesene Darstellung, dass sich elektrische und magnetische Energie zyklisch ineinander umwandeln, nicht ganz korrekt ist. Sie stimmt allerdings z.B. für das Nahfeld eines elektromagnetische Wellen erzeugenden elektrischen Dipols oder Schwingkreises. Die Entstehung elektromagnetischer Wellen erklärt sich aus den Maxwellgleichungen: Die zeitliche Änderung des elektrischen Feldes ist stets mit einer räumlichen Änderung des magnetischen Feldes verknüpft. Ebenso ist wiederum die zeitliche Änderung des magnetischen Feldes mit einer räumlichen Änderung des elektrischen Feldes verknüpft. Für periodisch (insbesonders sinusförmig) wechselnde Felder ergeben diese Effekte zusammen eine fortschreitende Welle. Das Besondere an der elektromagnetischen Welle ist, dass kein Medium vorhanden sein muss; eine solche Welle kann sich also im absolut leeren Raum fortpflanzen. Im Gegenzug dazu stehen die Materiewellen, wie z. B. der Schall, die ein Medium zur Übertragung brauchen. Im Vakuum breitet sich eine elektromagnetische Welle mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit $c_0 = 299.\,792.\,458\;\mathrm$ aus. Dieser Wert ist exakt, da die Einheit Meter durch die Lichtgeschwindigkeit c definiert ist, und gilt unabhängig von der Frequenz der Welle. In einem Medium (also in Materie) verringert sich die Geschwindigkeit abhängig von der Permittivität und der Permeabilität des Stoffes. Zudem wird sie abhängig von der Frequenz der Welle (Dispersion), sowie (je nach Medium) abhängig von ihrer Polarisation und ihrer Ausbreitungsrichtung. Eine direkte Krafteinwirkung (z.B. Richtungsänderung) auf eine sich ausbreitende elektromagnetische Welle kann nur durch das Ausbreitungsmedium (Begrenzungen wie Spiegel eingeschlossen) oder die Gravitationskraft erfolgen. Elektromagnetische Wellen sind im elektromagnetischen Spektrum nach der Wellenlänge sortiert (eine Liste von Frequenzen und Beispiele elektromagnetischer Wellen gibt es im dortigen Artikel). Das am besten bekannte und am meisten studierte Beispiel einer elektromagnetischen Welle ist das sichtbare Licht. Beim Licht bestimmt die Frequenz beziehungsweise die Wellenlänge die Farbe des Lichtes. Monochromatisches Licht, also Licht nur einer einzigen Wellenlänge, hat stets eine Spektralfarbe. Spektralfarbe Bei elektromagnetischen Wellen äußerst geringer Intensität oder bei den kurzwelligen Erscheinungsformen der elektromagnetischen Wellen (beispielsweise Gammastrahlung) genügt das oben beschriebene Wellenmodell nicht mehr, um alle beobachtbaren Phänomene zu beschreiben, vielmehr treten die Teilcheneigenschaften einzelner Photonen, der Quanten des elektromagnetischen Feldes, in den Vordergrund. Der Wellencharakter (etwa Interferenz) tritt dagegen zurück. Im Rahmen dieser Teilchenvorstellung des Lichtes wird jeder Frequenz $\nu$ die Energie eines einzelnen Photons $h\cdot\nu$ zugeordnet. Beide Aspekte elektromagnetischer Strahlen werden theoretisch im Rahmen der Quantenelektrodynamik erörtert. Einige neuere Theorien, zum Beispiel die Loop-Quantengravitation, sagen eine geringe Frequenzabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit c im Vakuum voraus.
Mathematische Beschreibung
Die Existenz elektromagnetischer Wellen folgt aus den Maxwellgleichungen. Sie wurden 1865 von James Clerk Maxwell theoretisch postuliert, bevor Heinrich Rudolf Hertz sie 1888 experimentell nachweisen konnte. An dieser Stelle sollen zunächst elektromagnetische Wellen im Vakuum betrachtet werden, also Wellen im ladungsfreien Raum unter Ausschluss von dielektrischen, dia- und paramagnetischen Effekten ( $\vec D = \varepsilon_0 \vec E$ und $\vec B = \mu_0 \vec H$ , siehe Materialgleichungen der Elektrodynamik). Stromdichte j und Ladungsdichte ρ sind Null. Man geht zunächst von der dritten maxwellschen Gleichung aus (mit j=0): : $(1) \ \operatorname \vec E = -$ und wendet auf beide Seiten den Rotationsoperator an. Zum einen erhält man dadurch : $\operatorname \ \operatorname \vec E = - \operatorname \left( \right)$ : $= - \mu_0 \left( \operatorname \vec H \right),$ und setzt die vierte maxwellsche Gleichung ein, : $= - \mu_0 \left( \right)$
: $(2) \ = - \mu_0 \varepsilon_0$ Zum anderen gilt ganz allgemein die vektoranalytische Beziehung : $\operatorname \ \operatorname \vec A = \operatorname \ \operatorname \vec A - \Delta \vec A$ mit dem Laplace-Operator Δ : $\Delta = \partial^2 / \partial x^2 + \partial^2 / \partial y^2 + \partial^2 / \partial z^2$ . Wendet man diese Beziehung auf (1) an, und bedenkt man, dass der ladungsfreie Raum betrachet wird, in dem nach der ersten maxwellschen Gleichung die Divergenz von D Null ist, so ergibt sich : $\operatorname \ \operatorname\vec E = \operatorname \ \operatorname \vec E - \Delta \vec E$ : $= \operatorname \ 0 - \Delta \vec E$
: $(3) \ = - \Delta \vec E$ . Setzt man nun (2) und (3) zusammen ergibt sich folgende Wellengleichung : $(4) \ \Delta \vec E = \mu_0 \varepsilon_0$ . Fast alle Wellen lassen sich durch Gleichungen der Form : $(5) \ = v^2 f$ beschreiben, wobei v die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist die Lichtgeschwindigkeit c. Für sie gilt daher : $c^2 =$ . Damit erhält man also aus (4) die Gleichung : $= c^2 \Delta \vec E,$ die für jede Komponente eine Wellengleichung der Form (5) darstellt. Ihre Lösungen sind Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit c ausbreiten. Breitet sich die Welle in linearen Materialien mit dem Dielektrizitätskonstante ε und der Permeabilität μ aus, so ist die Lichtgeschwindigkeit c etwas niedriger, nämlich : $c=,$ wobei im aber allgemeinen die Materialkonstanten nicht linear sind, sondern selbst z.B. von der Feldstärke oder der Frequenz abhängen. Während das Licht sich in der Luft immer noch fast mit Vakuumlichtgeschwindigkeit c ausbreitet (die Materialkonstanten sind in guter Näherung 1), gilt das für Wasser schon nicht mehr, was u.a. den Tscherenkow-Effekt ermöglicht. Weiterhin ist auch eine mathematische Beschreibung mit Hilfe von Potenzialen moeglich, denn wegen : $(1) \quad \nabla \cdot \left(\nabla \times \vec A \right) = 0$ und : $(2) \quad \nabla \cdot \vec B = 0$ kann der Feldvektor der magnetischen Flussdichte auch als Rotation eines Vektorfeldes A aufgefasst werden. A wird deshalb das Vektorpotenzial von B genannt und es gilt: : $(3) \quad \vec B = \nabla \times \vec A$ Diese Beziehung kann nun weiter verwendet werden. Die Rotation des elektrischen Feldes ist bestimmt durch : $(4) \quad \nabla \times \vec E = -$ Setzt man nun die eben gewonnene Beziehung aus (3) in (4) ein, so erhaelt man : $(5) \quad \nabla \times \vec E = - \nabla \times \vec A$ und daraus folgt : $(6) \quad \nabla \times \left \lbrack \vec E + \right \rbrack = 0$ Nun verschwindet aber die Rotation eines jeden Gradienten, so dass der innere Ausdruck von (6) als Gradient einer skalaren Funktion aufgefasst werden kann: : $(7) \quad - \nabla \phi = \vec E +$ : $(8) \quad \vec E = - \nabla \phi -$ Dies kann nun wieder in den ursprünglichen Maxwell-Gleichungen verwendet werden. Mit : $(9)\quad \nabla \cdot \vec E =$ : $(10) \quad \nabla \times \vec B = \mu \kappa \vec E + \mu \epsilon$ und (8) und der Beziehung : $\quad \nabla \times \nabla \times \vec A = \nabla (\nabla \cdot \vec A) - \nabla^2 \vec A$ erhaelt man : $(11) \quad \nabla^2 \phi + \nabla \cdot \vec A = -$ : $(12) \quad \nabla^2 \vec A - \mu \epsilon - \mu \kappa - \nabla \left \lbrack \nabla \cdot \vec A + \mu \epsilon + \mu \kappa \phi \right \rbrack = 0$ Um diese Gleichungen (11) und (12) voneinander zu entkoppeln, wird verlangt, dass der Term unter dem Gradienten in (12) verschwindet (siehe Eichtransformation), also : $(13) \quad \nabla \cdot \vec A + \mu \epsilon + \mu \kappa \phi = 0$ Ist die Bedingung aus (13) erfüllt, so ergibt sich aus (12) automatisch die Wellengleichung für das Vektorpotenzial A mit : $(14) \quad \nabla^2 \vec A - \mu \epsilon - \mu \kappa = 0$ und aus (11) und (13) die Wellengleichung der skalaren Potenzialfunktion mit : $(15) \quad \nabla^2 \phi - \mu \epsilon - \mu \kappa = -$ Im quellfreien Vakuum folgt : $(16) \quad \nabla^2 \vec A - \mu_0 \epsilon_0 = 0$ : $(17) \quad \nabla^2 \phi - \mu_0 \epsilon_0 = 0$ Diese Beschreibung elektromagnetischer Phänomene kann durch Eichtransformation an verschiedene Probleme angepasst werden um diese zu vereinfachen. In der Quantenmechanik wird dem Vektorpotenzial des magnetischen Feldes oft eine fundamentalere Rolle als der Feldgroesse selbst zugeschrieben. Das Vektorpotenzial ist naemlich selbst dann vorhanden, wenn das magnetische Feld verschwindet. Dieses Phaenomen ist unter dem Namen Aharonov-Bohm-Effekt bekannt. Experimentell kann das Vektorpotenzial durch Interferenz von Elektronenstrahlen nachgewiesen werden, die an einem abgeschirmnten Magnetfeld vorbeilaufen. Die Elektronen werden durch das Magnetfeld also nicht beeinflusst. Dennoch werden die Interferenzmuster durch den Zustand des Feldes veraendert. Als Ursache wird das Vektorpotenzial angenommen, das auch bei nicht vorhandenem B-Feld existieren kann. Diese Ansicht ist jedoch umstritten.
Siehe auch

- Welle (Physik)
- Licht
- Radar
Weblinks

- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/materialseiten/m05_elma_wellen.htm Versuche und Aufgaben]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-wellenlaenge.htm Umrechnung: Frequenz in Wellenlänge und zurück - Elektromagnetische Wellen und Schallwellen]
- [http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2004/pressemitteilung20040827/ Forscher machen erstmals Lichtwellen sichtbar] Kategorie:Elektrodynamik Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Wellenlehre Kategorie:Spektroskopie ja:電磁波 ko:전자기파

Wellenlänge
Als Wellenlänge, Symbol λ (griech.: Lambda), wird der kleinste Abstand zweier Punkte gleicher Phase einer Welle bezeichnet. Dabei haben zwei Punkte die gleiche Phase, wenn sie sich in gleicher Weise begegnen, d.h. wenn sie im zeitlichen Ablauf die gleiche Auslenkung und die gleiche Bewegungsrichtung haben. Bei Wasserwellen entspricht die Wellenlänge zum Beispiel dem Abstand zweier benachbarter Wellenberge oder Wellentäler. Es gilt : $\lambda=\frac$ , wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit oder die Phasengeschwindigkeit und f die Frequenz der Welle ist.
Typische Größen

- λ = Wellenlänge z. B. einer elektromagnetischen Welle oder einer Schallwelle
Wellenlängen sichtbaren Lichts: Farben
Das menschliche Auge ist in einem Wellenlängenbereich von etwa 760 nm (rot) bis 380 nm (violett) empfindlich. Bienen sehen zum Beispiel auch kurzwelligeres Licht, das sogenannte ultraviolette UV-Licht, können dafür aber kein rotes Licht wahrnehmen. Weitere Informationen zum Farbempfinden des Auges unter Farbe.
Wellenlänge elektromagnetischer Wellen im Medium
Wenn Lichtwellen oder andere elektromagnetische Wellen ein Medium durchqueren, wird ihre Wellenlänge entsprechend der Brechzahl $n$ reduziert, die Frequenz jedoch bleibt unverändert. Die Wellenlänge im Medium $\lambda^\prime$ beträgt : $\lambda^\prime = \frac$ , wobei $\lambda_0$ die Vakuumwellenlänge der Welle ist. Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung werden üblicherweise als Vakuumwellenlänge angegeben, ohne dass das explizit ausgedrückt wird.
De-Broglie-Wellenlänge
Louis-Victor de Broglie entdeckte, dass alle Partikel mit einem Impuls p eine Wellenlänge haben, sie wird De-Broglie-Wellenlänge genannt. Für ein relativistisches Teilchen kann die Wellenlänge mit folgender Gleichung bestimmt werden: : $\lambda = \frac = \frac \sqrt$ Dabei ist h das Plancksche Wirkungsquantum, m die Masse und v die Geschwindigkeit des Teilchens.
Siehe auch

- | Amplitude | Dielektrizitätskonstante | Frequenz | Lichtgeschwindigkeit | Periode (Physik) | Schallgeschwindigkeit |
Weblinks

- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-wellenlaenge.htm Berechnung von Wellenlänge, Frequenz und Schallgeschwindigkeit oder Lichtgeschwindigkeit]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-wellen.htm Berechnung der Wellenlänge einer Schallwelle in Luft bei gegebener Frequenz und Temperatur]
- [http://www.bbs-winsen.de/GoBlack/Astronom/Theorie/t_wellen.htm Tabelle der Wellen mit zugehöriger Wellenlänge, Energie und Frequenz] Kategorie:Wellenlehre Kategorie:Theoretische Elektrotechnik ja:波長 ko:파장 th:ความยาวคลื่น

V(lambda)-Kurve

Die Hellempfindlichkeitskurve V(λ) beschreibt den spektralen Hell-Empfindlichkeitsgrad von Testpersonen bei Tageslicht (photopischer Bereich). Sie wurde empirisch ermittelt und 1924 im "Internationalen Standard Beobachter" veröffentlicht (Internationale Beleuchtungskommission, Commission Internationale de l'Éclairage, CIE) und 1982 überarbeitet (CIPM Comité International des Poids et Mesures). In Deutschland ist sie unter DIN 5031 normiert. Die spezifische Empfindlichkeit in verschiedenen Wellenbereichen des sichtbaren Lichts ist Grundlage der Photometrie und stellt den Zusammenhang her zwischen Einheiten der Strahlungs- und Lichtstärke. Die so genannte V_eq(λ)-Kurve für das Dämmerungssehen (mesopischer Bereich) und die V'(λ)-Kurve für das Nachtsehen (skotopischer Bereich) sind für die Lichttechnik nur in Ausnahmefällen von Bedeutung. Die spektrale Verschiebung zwischen Tag- und Nachtsehen wird als Purkinje-Effekt bezeichnet.

Siehe auch

- Lichtausbeute
- Lichtstrom
- Farbwahrnehmung

Weblinks

- [http://www.rpi.edu/~schubert/More%20reprints/1999%20Ohno%20(OSA%20handbook%20of%20optics)%20Photometry%20and%20radiometry.pdf OSA Handbook of Optics] Kategorie:Auge Kategorie:Fototechnik Kategorie:Sehen

Fotometrie

Die Fotometrie (Photometrie, zu altgr. φωσ „Licht“) setzt die von einem Fotometer gemessene elektromagnetische Strahlungsleistung in Beziehung zum Sinneseindruck durch das menschliche Auge.

Funktionsweise

Die Fotometrie bildet die Licht-Wahrnehmung des Auges messtechnisch nach. Grundlage sind die Hellempfindlichkeitskurven V(λ), die die mittlere physiologische Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und der Intensität (Nacht- und Tagsehen) beschreiben.

Einsatzgebiete

Die Fotometrie ist ursprünglich ein Teilgebiet der Physik beziehungsweise der Astronomie, inzwischen aber eine reguläre Ingenieurswissenschaft. Sie wird beispielsweise in der Fotovoltaik oder auch bei der Herstellung von Displays für die industrielle Meßtechnik zur Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle ständig weiterentwickelt. Für die Entwicklung von Optischen Technologien wie der Lasertechnik gehört sie wie die verwandte Kolorimetrie ebenfalls zum Handwerkszeug. Darüber hinaus findet die Fotometrie besonders auch in der (bio-)chemischen Analytik Verwendung. Sie erlaubt den qualitativen und quantitativen Nachweis ebenso wie die Verfolgung der Dynamik chemischer Prozesse von strahlungsabsorbierenden chemischen Verbindungen. Die Verallgemeinerung der Fotometrie auf das gesamte elektromagnetische Spektrum (Radio- bis Gammastrahlung) nennt man Radiometrie.

Astronomie

In der Astronomie gibt es außerdem weitere fotometrische Systeme, die sich nicht an der Empfindlichkeitskurve des Auges anlehnen, sondern an physikalischen Eigenschaften der Sternspektren. Die Breitbandfotometrie misst die Stärke der Strahlung über einen weiten Wellenlängenbereich. Die gebräuchlichsten Verfahren messen durch drei oder vier Filter (UBV:, Ultraviolet, Blue, Visual, oder uvby: ultraviolet, violet, blue, yellow) und bestimmen hieraus die Parameter eines Sterns (Spektraltyp). Die Magnitudendifferenzen der einzelnen Filtermessungen werden als Farben bezeichnet, z.B U-B oder B-V, die oft als Farben-Helligkeits-Diagramm aufgetragen werden (siehe auch Farbindex). In der Schmalbandfotometrie werden nur Bereiche einzelner Spektrallinien gemessen, um deren Stärken zu bestimmen, ohne ein Spektrum aufzunehmen, was weit aufwändiger wäre. Dies funktioniert jedoch nur bei starken Absorptionslinien und Linienemissionsspektren ohne (starken) kontinuierlichen Anteil wie zum Beispiel die Spektren planetarischer Nebel. Die Astronomie benutzt aus historischen Gründen als Einheit die Magnitude.

Fotometrische Größen

Die folgenden fünf fotometrischen Größen sind aus den zugehörigen radiometrischen Größen abgeleitet. Der Unterschied besteht darin, dass in der Fotometrie die Empfindlichkeit des Betrachters mit einbezogen wird, indem die radiometrischen Größen mit der spektralen Hellempfindlichkeitskurve multipliziert werden. Weitere Größen und Werte:
- Belichtung (Lux mal Sekunde, lx·s), das Produkt aus Beleuchtungsstärke und Zeit
Mit zunehmender Beleuchtungsstärke sinkt die benötigte Zeit, um eine gleichbleibende Belichtung zu erhalten.
- Lichtausbeute (Lumen pro Watt, lm/W)
Effizienz der Umsetzung von Leistung in Licht.
- Hellempfindlichkeit (dimensionslos)

- Ähnlichste Farbtemperatur (Kelvin)

Literatur

- Bergmann Schäfer: Lehrbuch der Experimentalphysik Berlin 1990 Kategorie:Fototechnik Kategorie:Spektroskopie Kategorie:Beobachtungsmethode der Astronomie

Weblinks

- [http://www.filmscanner.info/Fotometrie.html Einführung in die Fotometrie - Zahlenmäßige Beschreibung von Licht]

Rhodopsin

Rhodopsin (wegen seiner roten Farbe auch Sehpurpur genannt) ist eine Verbindung des Proteins Opsin und Retinal (Aldehyd von Vitamin A). Es bildet den Sehfarbstoff in der Retina der Augen von Wirbeltieren und in den Photorezeptoren von Evertebraten.Am Beginn des Sehprozesses führt der Einfall von Licht zu einer stetischen Veränderung des Retinalteils (11-cis-Retinal -> all-trans-Retinal), hierfür wird nur ein Photon benötigt. Dadurch kommt es zu einer Konformationsänderung im Opsin, was anschließend mit Hilfe von Transducin, einem G-Protein zu einer biochemischen Enzymkaskade führt. Es gibt verschiedene Rhodopsine, die sich in ihrer Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Wellenlängen unterscheiden. Dies ist die Grundlage des Farbensehens - diese Unterscheiden sich stets nur in wenin Aminosäuren im Proteinanteil des Opsins. Im menschlichen Auge sind dies Cyanopsin, Iodopsin, Porphyropsi Rhodopsin ist der bekannteste und best untersuchte Vertreter einer Proteinfamilie mit dem Namen "G-Protein gekoppelte Rezeptoren" (GPCR). Das charakteristische an dieser Familie sind sieben Transmembrandomänen und ein Rezeptor, der durch Anlagerung eines Liganden das G-Protein aktiviert (Indem GTP an G-Protein angelagert wird und das in inaktivem Zustand dort befindliche GDP ersetzt). Ein ganz ähnliches Molekül, das Bakteriorhodopsin, findet sich in Halobakterien. Es enthält ebenfalls Retinal und ist auch aus sieben Transmembrandomänen aufgebaut, ist jedoch nicht an ein G-Protein gekoppelt. Es dient der Photosynthese. Ein Mangel an Vitamin A führt zu Nachtblindheit, Trockenheit des Auges (Xerophthalmie), sowie einer Hornhautentzündung (Keratitis) des Auges. Der Tagesbedarf eines Erwachsenen an Vitamin A beträgt 1,6 mg. Mutationen im Opsin-Gen können zu einer Retinitis pigmentosa führen. Kategorie: Auge

Photonen

In der Physik bezeichnet man mit Photon (von Griechisch φως = Licht) die elementare Anregung (Quant) des quantisierten elektromagnetischen Felds. Es ist eines der Studienobjekte der Quantenelektrodynamik, des ältesten Teils des Standardmodells der Teilchenphysik. Anschaulich gesprochen sind Photonen die "Bausteine" elektromagnetischer Strahlung, so etwas wie "Lichtteilchen". Allerdings darf dabei nicht vergessen werden, dass alle (Elementar-) Teilchen einschließlich der Photonen auch Welleneigenschaften besitzen (siehe auch: Welle-Teilchen-Dualismus).

Geschichte

Seit der Antike gab es verschiedene, oft einander widersprechende Vorstellungen über das Wesen des Lichts. Im 19. Jahrhundert konkurrierten Wellen- und Teilchentheorien. Während viele Phänomene wie Interferenz- und Polarisationserscheinungen für eine Wellennatur des Lichts sprachen, gab es auch Indizien für einen Teilchencharakter. Ein historisch sehr wichtiges Experiment, welches auf eine Teilchennatur des Lichts hinwies, war im Jahre 1887 die Beobachtung des Photoelektrischen Effekts durch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs. Die Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung geht letztendlich auf die Erklärung der Schwarzkörperstrahlung durch Max Planck im Jahr 1900 zurück (Plancksches Strahlungsgesetz). Planck selbst stellte sich allerdings nicht die elektromagnetische Strahlung an sich quantisiert vor, sondern erklärte die Quantisierung damit, dass die Oszillatoren in den Wänden der Schwarzkörperresonatoren nur diskrete Energiemengen mit dem elektromagnetischen Feld austauschen können. Albert Einstein beschrieb 1905 in seiner Publikation zum photoelektrischen Effekt das Licht als aus Lichtquanten mit Partikeleigenschaften bestehend (für diese Arbeit übrigens – nicht etwa für seine Relativitätstheorie – wurde er 1921 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet). Die formale Quantentheorie des Lichtes wurde erst seit 1925 beginnend mit Arbeiten von Max Born, Pascual Jordan und Werner Heisenberg entwickelt. Die bis heute gültige Theorie der elektromagnetischen Strahlung, welche auch die Lichtquanten beschreibt, die Quantenelektrodynamik (QED), geht in ihren Anfängen auf eine Arbeit von Paul Dirac im Jahr 1927 zurück, in der er die Wechselwirkung von quantisierter elektromagnetischer Strahlung mit einem Atom beschreibt. Die QED wurde in den 1940er Jahren entwickelt und 1965 mit der Verleihung des Nobelpreises für Physik an Richard P. Feynman, Julian Schwinger und Shinichiro Tomonaga gewürdigt. Der Begriff "Photon" wurde 1926 durch den Chemiker Gilbert Newton Lewis geprägt, der darunter aber nicht das Lichtquant verstand. Er verwandte den Begriff im Rahmen eines von ihm vorgeschlagenen (und allgemein nicht anerkannten) Modells der Wechselwirkung von Atomen mit Licht.

Symbol

Für das Photon wird im allgemeinen das Symbol

\gamma

(gamma) verwandt. In der Hochenergiephysik ist dieses Symbol allerdings reserviert für die hochenergetischen Photonen der Gammastrahlung (Gamma-Quanten), und die in diesem Zweig der Physik ebenfalls relevanten Röntgenphotonen erhalten das Symbol X (von Englisch: X-ray).

Eigenschaften

Jegliche elektromagnetische Strahlung, von Radiowellen bis zur Gammastrahlung, ist in Photonen quantisiert. Das bedeutet, die kleinste "Menge" an elektromagnetischer Strahlung beliebiger Frequenz ist ein Photon. Photonen haben eine unendliche natürliche Lebensdauer, können aber bei einer Vielzahl physikalischer Prozesse erzeugt oder vernichtet werden. Photonen besitzen keine Ruhemasse, aber sie besitzen Energie. Ein freies Photon befindet sich nie in Ruhe, sondern bewegt sich mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit. In optischen Medien ist die effektive Lichtgeschwindigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Photonen mit der Materie verringert. Da Photonen Energie besitzen, wechselwirken sie gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Gravitation.

Erzeugung und Detektion

Photonen können auf vierlei Arten erzeugt werden, insbesondere durch Übergänge ("Quantensprünge") von Elektronen zwischen verschiedenen Zuständen (z. B. verschiedenen Atom- oder Molekülorbitalen oder Energiebändern in einem Festkörper). Photonen können auch bei nuklearen Übergängen, Teilchen-Antiteilchen-Vernichtungsreaktionen, oder durch beliebige Fluktuationen in einem elektromagnetischen Feld erzeugt werden. Zum Nachweis von Photonenströmen können z. B. Photomultiplier, Photoleiter oder Photodioden verwendet werden. CCDs, Vidicons, PSDs, Quadrantendioden oder Fotoplatten und -filme werden zur ortsauflösenden Detektion von Photonen benutzt. Im IR-Bereich werden auch Bolometer eingesetzt. Photonen im Gammastrahlen-Bereich können durch Geigerzähler einzeln nachgewiesen werden. Photomultiplier und Avalanche-Photodioden können auch zur Einzelphotonendetektion im optischen Bereich verwendet werden, wobei Photomultiplier im Allgemeinen die niedrigere Dunkelzählrate besitzen, Avalanche-Photodioden aber noch bei niedrigeren Photonenenergien bis in den IR-Bereich einsetzbar sind.

Spin

Photonen sind Spin-1 Teilchen und somit Bosonen. Es können also beliebig viele Photonen denselben quantenmechanischen Zustand besetzen, was zum Beispiel in einem Laser realisiert wird. Photonen vermitteln die elektromagnetische Wechselwirkung: Sie sind die Teilchen, die es anderen Teilchen erlauben, miteinander elektromagnetisch wechselzuwirken. Da die elektromagnetische Wechselwirkung eine sogenannte Eichtheorie ist, zählen die Photonen zu den Eichbosonen.

Photonen im Vakuum

Im Vakuum bewegen sich Photonen mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit

c\,

= 299792458 ms^-1. Die Dispersionsrelation, d.h. die Abhängigkeit der Energie

E\,

von der Frequenz

\nu\,

(ny), ist linear, und die Proportionalitätskonstante ist das Planck'sche Wirkungsquantum

h\,

, :

E=pc=h\nu\,.

Der Impuls

p\,

eines Photons beträgt damit :

p=\frac=\frac\,.

Photonen in Medien

In einem Material wechselwirken Photonen mit dem sie umgebenden Medium, woraus sich veränderte Eigenschaften ergeben. Das Photon kann absorbiert werden, wobei seine Energie natürlich nicht verschwindet, sondern in elementare Anregungen (Quasiteilchen) des Mediums wie Phononen oder Exzitonen übergeht. Möglich ist auch, dass es sich durch ein Medium ausbreitet; zum Beispiel als gekoppeltes Phonon-Photon-Paar (Polariton). Diese elementaren Anregungen in Materie haben üblicherweise keine lineare Dispersionsrelation, und ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist niedriger als die Vakuumlichtgeschwindigkeit bis hin zu nur einigen Metern pro Sekunde für spezielle Materialien.

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

Photonen die auf Materie treffen lösen bei bestimmten Energien unterschiedliche Prozesse aus. Im Bereich von:
- 1 eV - 100 keV Photoeffekt,
- 100 keV - 1 MeV Compton-Effekt,
- 1,022 MeV - 6 MeV Paarbildung
- 2,18 MeV - 16 MeV Kernphotoeffekt. Diese Effekte tragen maßgeblich dazu bei, dass man diese Strahlung detektieren kann und sich bestimmte Stoffe mit bestimmten Effekten anhand der Gammaspektroskopie nachweisen lassen.

Literatur

- [http://www.osa-opn.org/abstract.cfm?URI=OPN-14-10-49 C. Roychoudhuri and R. Roy (editors) The Nature of Light, What is a Photon?, Supplement to Optics & Photonics News, Vol. 3 No. 1, October 2003, ISSN 10476938]
- Harry Paul Photonen, Januar 1999, ISBN 3519132222
- Klaus Hentschel: Einstein und die Lichtquantenhypothese. Naturwissenschaftliche Rundschau 58(6), S. 311 - 319 (2005),

Weblinks

- [http://www.activeart.de/dim-shops/demo/lichtMaterie Interaktive Darstellung] von Absorption, Emission und der stimulierten Emission Kategorie:Elementarteilchen Kategorie:Quantenphysik Kategorie:Optik ja:光子 ko:광자 simple:Photon

Infrarotstrahlung

Als Infrarotstrahlung (kurz IR-Strahlung) bezeichnet man in der Physik elektromagnetische Wellen im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der langwelligeren Mikrowellenstrahlung. Dies entspricht einem Wellenlängenbereich von etwa 780 nm bis 1 mm. Bei kurzwelliger IR-Strahlung spricht man oft von "Nahinfrarot" (NIR), bei Wellenlängen von ca. 5...20 Mikrometer von "mittlerem Infrarot" (MIR). Extrem langwellige IR-Strahlung bezeichnet man als "Ferninfrarot" (FIR). Sie grenzt an den Bereich der Terahertzstrahlung. Technisch wird unterschieden in:
- nahes Infrarot: near infrared NIR, IR-A DIN, 0,7 – 1,4 µm – beschränkt durch die Wasserabsorption und in der Telekommunikation verwendet, aufgrund der geringen Absorption und Dispersion von Glasfasern
- kurzwelliges IR: short wavelength IR SWIR, IR-B DIN, 1,4 – 3 µm Die Wasserabsorption steigt bei 1450 nm stark an
- mittelwelliges Infrarot: mid wavelength IR MWIR, IR-C DIN, auch Zwischen-IR: intermediate-IR (IIR), 3 – 8 µm
- langwelliges IR: long wavelength IR LWIR, IR-C DIN, 8 – 15 µm)
- fernes Infrarot: far infrared FIR, 15 – 1000 µm Die Begriffe sind nicht immer so eindeutig wie für den sichtbaren Bereich definiert und werden teils durch die Anwendungen oder spezielle physikalische Phänomene bestimmt, weshalb es mehrere unterschiedliche Bezeichnungen gibt.

Geschichte

Die IR-Strahlung wurde im Jahre 1800 von Wilhelm Herschel entdeckt, indem er Sonnenlicht durch ein Prisma lenkte und hinter dem roten Ende des sichtbaren Spektrums ein Thermometer legte. Aus dem beobachteten Temperaturanstieg schloss er, dass sich das Sonnenspektrum jenseits des Roten fortsetzt. Umgangssprachlich wird IR-Licht oft mit Wärmestrahlung gleichgesetzt. Breitbandige IR-Quellen sind thermische Strahler wie beispielsweise Glühlampen und Heizstrahler. Selektivstrahler sind der Nernst-Stift, der Auer-Strumpf oder auch Hochdruck-Gasentladungslampen und auch Infrarot-LEDS. Als monochromatische, kohärente Quellen dienen Infrarotlaser (Halbleiterlaser, Nd:YAG-Laser, CO2-Laser). Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eigenen sich thermische Detektoren (Thermoelemente oder Bolometer). Im kurzwelligen Bereich werden Halbleiterdetektoren verwendet - auch Digitalkameras eignen sich dafür, wenn ihr IR-Sperrfilter nicht zu stark ausgelegt ist. Zur Aufnahme von IR-Bildern im nahen Infrarotbereich eignen sich auch spezielle fotografische Filme. Bei längeren Wellenlängen (mittleres Infrarot) werden gekühlte Halbleiterempfänger oder pyroelektrische Sensoren (Anwendung z. B. im PIR-Bewegungsmelder) verwendet. Bildgebende Sensoren haben für die Thermografie, die Infrarot-Astronomie (Blick durch interstellare Staubwolken möglich) und Nachtsichtgeräte Bedeutung.

Anwendungen

Anwendung in der Astronomie

In der Infrarotastronomie beobachtet man "kühle" Objekte (kälter als 1000 K), die in anderen Spektralbereichen kaum zu sehen sind, oder Objekte, die in oder hinter einer interstellaren Wolke liegen. Zusätzlich hilft die IR-Spektroskopie bei der Analyse der betrachteten Objekte.

Anwendung in der Computertechnik

Infrarotschnittstellen von PCs ermöglichen eine drahtlose Kommunikation mit Peripheriegeräten. Dabei war die Firma Hewlett Packard eines der ersten Unternehmen, das die Infrarot-Technik mit der EDV verbunden hat. Im Jahre 1979 integrierte man dort erstmals eine IR-Schnittstelle in einen Taschenrechner, um so eine Verbindung zu einem Drucker herzustellen. Im Jahre 1990 wurde dann erstmals eine IR-Schnittstelle in einen Desktop-PC integriert. Diese Schnittstelle wurde zu ihrem ersten Standard. Man nannte ihn somit Serial Infrared (Serielles Infrarot), abgekürzt SIR. Aus Geschwindigkeitsgründen ist dieser Standard heutzutage durch das abwärtskompatible Fast-IR abgelöst, welches jedes Desktop-Mainboard ab ungefähr Baujahr 2002 unterstützt (bzw. für den Anschluss eines solchen Senders/Empfängers vorbereitet ist). PDA's und Notebooks (ausser den meisten ganz neuen) haben ein solches Infrarotgerät eingebaut, ebenso wie einige Mobiltelefone (hier gilt für die neueren dasselbe wie für Notebooks). Des Weiteren liegt die Standardwellenlänge in der optischen Datenübertragung mittels Glasfasern mit 1550 nm im Infraroten.

Anwendung in der Chemie

IR-Strahlung regt Moleküle zu Schwingungen und Rotationen an. Die Infrarotspektroskopie (IR-Spektroskopie) ist ein physikalisches Analyseverfahren, das infrarotes Licht zur quantitativen Bestimmung von bekannten Substanzen oder Strukturaufklärung unbekannter Substanzen benutzt.

Anwendung in der Vermessung von Vegetation

Im nahen Infrarot besitzt Chlorophyll eine deutlich (ungefähr 6x) höherere Reflektivität als im sichtbaren (insbesondere grünen) Spektrum. Dieser Effekt wird zur Erkennung von Vegetation ausgenutzt. Hat man auf diese Weise Vegetation erkannt, kann sie (und nur sie) vermessen werden. Die Vermessung von Vegetation ist insbesondere für Autobahn- oder Straßenmeistereien, Gleisinfrastrukturbetreiber (z.B. DB Netz AG) oder Forstbetriebe von Bedeutung. Ragt Vegetation zu weit in das Lichtraumprofil von Fahrzeugen wird dies vom Vermessungssystem automatisch registriert.

Anwendung in der Medizin

Infrarotlicht wird in der Medizin häufig in Verbindung mit Lasertechnik genutzt. Die Einsatzgebiete umfassen dabei insbesondere die Haut-, Augen- und Zahnheilkunde (Messen, Veröden, Schneiden, Koagulieren, Lichttherapie).

Anwendung in der Automobiltechnik

Im Auto kann eine Infrarotkamera genutzt werden, um als Nachtsichtsystem die Sicherheit bei Nachtfahrten zu erhöhen. Hierbei wird das von einer Infrarotkamera aufgenommene Bild auf einem Display im Fahrzeuginneren dem Fahrer zur Verfügung gestellt. Entsprechende Systeme werden meist als "Night Vision" bezeichnet.

Anwendung in der Instandhaltung

In der modernen Instandhaltung von elektrischen und mechanischen Anlagen/Maschinen wird die Thermografie als ergänzende Messmethode zur präventiven Mängel- und Schadenserkennung eingesetzt. Berührungslos werden damit zuverlässig kritische Zustände ("Hot-Spots") von Maschinen, Anlagen und Installationen während deren Normalbetrieb ermittelt. Dadurch können bereits frühzeitig Maßnahmen zur Eingrenzung der Auswirkungen eingeleitet und somit ggf. Ausfälle und Schäden vermieden werden. Man kann sie auch prima mit der Schwingunsgmesstechnik kombinieren. Wie die IRIS des Auge eine Krankheit anzeigt, zeigt auch die Temperaturerhöhung bzw. die Schwingung mögliche Ausfälle an.

Anwendung in der Materialbearbeitung

Bohren, Schneiden, Schweißen, Gravieren mit Infrarot-Laser (z.B. CO2-Laser).

Sonstige Anwendungen

- Mit Hilfe der Thermographie lassen sich Bilder der durch die Eigenwärme von Gegenständen entstehenden Infrarotstrahlung erzeugen, sogenannte "Wärmebilder".
- Die IR-Spektroskopie ist ein wichtiges chemisches Analyseverfahren.
- Fernbedienungen von Fernsehern und Stereoanlagen nutzen Infrarotlicht zur Kommunikation.
- Nachtsichtgeräte liefern Bilder der Umgebung im infraroten Spektralbereich.
- Zielsuchende Waffen, die ihr Ziel über die von diesem ausgesandte Wärme (z.B. Triebwerkswärme bei Flugzeugen) mit einer Infrarotkamera finden.
- Heizlampen strahlen hauptsächlich im Infraroten.
- Sicherheitsmerkmal bei Geldscheinen, z. B. dem Euro.
- Infrarote Leuchtdioden in optischen Brandmeldern und Lichtschranken zur Raucherkennung. Kategorie:Elektromagnetisches Spektrum Kategorie:Elektrodynamik Kategorie:Optik ja:赤外線

Autotroph

Unter Autotrophie wird in der Biologie die Fähigkeit von Lebewesen verstanden, ihre Baustoffe (und organischen Reservestoffe) ausschließlich aus anorganischen Stoffen aufzubauen. Das Wort "autotroph" ist ein Fremdwort aus dem Griechischen und bedeutet wörtlich: sich selbst ernährend (autos - selbst, trophe - Ernährung, s. a.: Trophie). ...z.B Primärproduzenten (Pflanzen) Als Kohlenstoffquelle wird dabei in der Regel CO₂ verwendet. Der Gegensatz ist Heterotrophie, bei der organische Stoffe zum Aufbau der Baustoffe verwendet werden. Tiere (Animalia), Pilze (Fungi) und die meisten Bakterien (Bacteria) und Archaeen (Archaea) sind heterotroph, z.B. Konsumenten (Pflanzenfresser --->> Fleischfresser) und Destruenten

Formen der Autotrophie

Photoautotrophie

Photoautotrophie ist die Nutzung von Licht als Energiequelle bei Autotrophie. Lebewesen mit dieser Fähigkeit nennt man photoautotroph. Fast alle Pflanzen und Algen sowie einige Bakterien, wie z. B. Chromatium und Chlorobium, wandeln mit Hilfe von Chlorophyllen Lichtenergie in chemische Energie (ATP) um (Phototrophie), die sie zum Aufbau von Bau- und Reservestoffen aus anorganischen Stoffen verwenden (siehe Photosynthese).

Chemoautotrophie

Chemoautotrophie ist die Nutzung von chemischer Energie bei Autotrophie. Lebewesen mit dieser Fähigkeit nennt man chemoautotroph. Besonders kommt Chemoautotrophie bei Bakterien und Archaeen vor. Beispiele sind einige Methanbildner, andere hydrogenotrophe Bakterien, Schwefelbakterien und nitrifizierende Bakterien. Sie nutzen die Energie, die bei der chemischen Umsetzung anorganischer Stoffe frei wird, zum Aufbau ihrer Bau- und Reservestoffe aus anorganischen Stoffen. Wenn für die Energiegewinnung nur anorganische Stoffe umgesetzt werden (das ist bei Chemoautotrophie der Regelfall) bezeichnet man das als Lithotrophie oder Chemolithotrophie und die Organismen mit dieser Fähigkeit als lithotroph (chemoautotroph) bzw. chemolithotroph (chemolithoautotroph). Siehe auch: Phototrophie, Photosynthese, Chemotrophie, Stoffwechsel, Zellatmung

Weblinks

- [http://www.uni-giessen.de/~gf1265/GROUPS/KLUG/Cren.html Crenarchaeota und deren (chemotrophen) Stoffwechselwege] Kategorie:Stoffwechsel Kategorie:Ökologie Kategorie:Zellbiologie Kategorie:Biochemische Reaktion ko:자가영양생물

Fotosynthese

bin die vossler g-13 nicht abschreiben, thésis - das Setzen) bezeichnet man die Erzeugung (die Synthese) von organischen Stoffen in Lebewesen unter Verwendung von Lichtenergie, die mit Hilfe lichtabsorbierender Farbstoffe, der Chlorophylle, aufgenommen wird. Bei Pflanzen und vielen anderen Lebewesen mit Photosynthese ist das primäre Syntheseprodukt Glucose. Die Glucose dient sowohl als Energielieferant als auch als Ausgangsmaterial für den nachfolgenden Aufbau von Bau- und Reservestoffen (d.h. verschiedenen organischen Stoffen) in Lebewesen aus meist einfacheren anorganischen (seltener: organischen) Stoffen. .Glucose
Primär- und Sekundärreaktion (Licht- und Dunkelreaktion)
Bei der Photosynthese laufen komplexe biochemische Prozesse ab. Die Photosynthese besteht aus einer Lichtreaktion und einer Dunkelreaktion, die auch als Primär- bzw. Sekundärreaktion bezeichnet werden. In der Lichtreaktion entsteht zunächst unter Nutzung von Lichtenergie chemische Energie (in Form von ATP) und ein Reduktionsmittel (NADPH). ATP und NADPH werden in der anschließenden Dunkelreaktion genutzt, um ohne Licht Glucose (Traubenzucker) zu erzeugen. Dabei wird Kohlenstoffdioxid (CO₂) mit ATP als Energiequelle und NADPH als Reduktionsmittel zu Glucose und Wasser umgesetzt. NADPH gibt bei diesem Vorgang den von ihm transportierten Wasserstoff und ein Elektron an das Kohlenstoffdioxid ab und wird selbst zum NADP⁺ oxidiert.
Bei Pflanzen findet die Synthese von Glucose in den Chloroplasten der Zelle statt, die lichtabhängigen Reaktionen erfolgen in den Thylakoiden die lichtunabhängige Dunkelreaktion findet im Stroma statt.
Primärreaktion (Lichtreaktion)
Bei der Primärreaktion, auch als Lichtreaktion bezeichnet, wird einerseits Lichtenergie in chemische Energie (ATP) umgewandelt (siehe Phototrophie) und gleichzeitig wird ein Reduktionsmittel für das Kohlenstoffdioxid gebildet, indem das Coenzym NADP⁺ mit zwei Elektronen und einem Wasserstoff-Ion (Proton / H⁺) vorübergehend zu NADPH reduziert wird. Um dies zu erreichen, wird Wasser in Elektronen, Protonen und O₂ (elementarer Sauerstoff) gespalten (Photolyse). Die Elektronen werden in mehreren Schritten durch Nutzung der Lichtenergie, die vom Chlorophyll durch Lichtabsorption aufgenommen wurde, auf ein höheres Energieniveau und damit auf ein niedrigeres Redoxpotential gebracht. Das Chlorophyll ist nach Aufnahme von Lichtenergie in einem angeregten Zustand, in dem es leicht Elektronen abgibt (starkes Reduktionsmittel, niedriges Redoxpotential) (siehe Phototrophie). Die Elektronen werden vom angeregten Chlorophyll über Zwischenüberträger auf NADP⁺ übertragen, das dadurch zu NADPH reduziert wird (siehe auch Redoxreaktion, Reduktionsäquivalent). In der Lichtreaktion wird also zweierlei gewonnen: eine Energiequelle in Form von ATP (Adenosintriphosphat) und ein Reduktionsmittel in Form von NADPH. Siehe dazu Bild 1. In diesem Bild stellt die Höhe, in der die Elektronen- bzw. Protonenüberträger angeordnet sind, die Höhe des Redoxpotentials dar. Reduktionsäquivalent
Sekundärreaktion (Dunkelreaktion)
In der Sekundärreaktion, auch als Dunkelreaktion bezeichnet, wird als erstes Kohlenstoffdioxid an eine durch den Organismus gebildete und als Akzeptor fungierende organische Verbindung gebunden. Die meisten Pflanzen mit oxygener Photosynthese gehören dem "C3-Typ" an. Hier ist der Akzeptor das 5 C-Atome enthaltende Ribulose-1,5-bisphosphat und das vermittelnde Enzym Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/-Oxygenase (Rubisco). Bei C4-Pflanzen dient Phosphoenolpyruvat (PEP) als CO₂-Akzeptor, wobei das Enzym PEP-Carboxylase die Reaktion katalysiert. Bei C3-Pflanzen zerfällt nach der CO₂-Aufnahme das entstandene, aus 6 C-Atomen bestehende Molekül sofort in zwei Moleküle Phosphoglycerinsäure (3-Phosphoglycerat) mit je 3 C-Atomen. Diese Moleküle werden in mehreren Schritten mit NADPH als Reduktionsmittel zu Zucker reduziert. Die Energie für diese Reaktion wird vom ATP (Adenosintriphosphat) geliefert. Dabei wird aus ATP durch Abspaltung eines Phosphatrestes wieder ADP (Adenosindiphosphat). In einem komplizierten, mehrstufigen Prozess ("Calvin-Zyklus", nach seinem Entdecker Melvin Calvin so genannt), wird aus 6 aufgenommenen CO₂-Molekülen unter deren Reduktion ein Molekül Glucose (Traubenzucker) C₆H₁₂O₆ gebildet (siehe chemische Bruttogleichung oben, Schema der Einzelschritte im Artikel Calvin-Zyklus). Der Calvin-Zyklus ist auch bei einigen nicht phototrophen Lebewesen der Weg der Assimilation von CO₂, nämlich bei einigen chemoautotrophen Bakterien.
Die Photosynthesegleichung
Bei der Photosynthese von Bau- und Reservestoffen können sowohl organische als auch anorganische Ausgangsstoffe verwendet werden. Bei der bedeutendsten Form der Photosynthese werden für die Kohlenhydratherstellung Kohlenstoffdioxid (CO₂) als Kohlenstoff- und Sauerstoffquelle und Wasser (H₂O) als Wasserstoffquelle verwendet. Als Beispiel diene die chemische Gleichung zur Bildung von Glucose (C₆H₁₂O₆), die das primäre Produkt darstellt: $\begin
\mbox & 12\; H_2O \rightarrow 24\; (H) + 6\; O_2 \\
\mbox & 6\; CO_2 + 24 (H) \rightarrow C_6H_O_6 + 6 H_2O
\end

\over

\begin
12\; H_2O + 6\; CO_2 + 24 (H) \rightarrow 24\; (H) + 6\; O_2 + C_6H_O_6 + 6 H_2O \\
\\
= 6\; CO_2 + 6\; H_2O \rightarrow C_6H_O_6 + 6\; O_2
\end$ Wasser dient als Reduktionsmittel für das Kohlenstoffdioxid. Bei der Reduktion wird das Wassermolekül gespalten (Photolyse): Es entstehen Sauerstoff, Elektronen und Wasserstoffionen (Protonen). Der Sauerstoff wird in molekularer, elementarer Form (O₂) an die Umgebung abgegeben. Der Sauerstoff stammt aus den gespaltenen Wassermolekülen, nicht aus dem Kohlenstoffdioxid. Daher stehen in der obigen ersten Summengleichung auf der linken Seite 12 Wassermoleküle, um rechts 6 O₂-Moleküle zu erhalten. Diese Form der Photosynthese wird wegen der Bildung von molekularem Sauerstoff O₂ als oxygene Photosynthese bezeichnet (Oxygenium = Sauerstoff). Sie wird von Cyanobakterien und allen eukaryotischen phototrophen Lebewesen betrieben. Beispiele hierfür sind neben allen grünen Pflanzen auch zahlreiche Protisten, d.h. grüne und anders gefärbte einzellige Algen). Die Bedeutung dieses Vorgangs liegt in der Primärproduktion von organischen Stoffen, die chemoheterotrophen Lebewesen als Energie- und Baustoffquelle dienen, und in der Bildung von O₂, das für alle obligat aeroben Lebewesen lebensnotwendig ist und auf der Erde fast ausschließlich durch oxygene Photosynthese gebildet wird.
Wirkungsgrad und Effektivität
Für die Quantifizierung des Effekts der Photosynthese im Verhältnis zur aufgewendeten Energie gibt es verschiedene Größen.
Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis der Zunahme des Energiegehalts bei der Synthese des Photosyntheseprodukts zu der für die Photosynthese aufgewendeten Lichtenergie, er ist also ein dimensionsloser Quotient (0 ... 1 oder 0 ... 100 %). Auch andere Größen für das Photosyntheseprodukt (z. B. Masse oder Stoffmenge) können zum Energieaufwand ins Verhältnis gesetzt werden. Die erhaltenen Größen bezeichnet man als Effektivität, deren Maßeinheit der gewählten Größe für das Photosyntheseprodukt entspricht (z. B. Gramm je Joule bzw. Mol je Joule).
Soll der primäre Effekt der Photosynthese eines Chloroplasten oder eines Mikroorganismus dargestellt werden, so wird der Energiegehalt (Maßeinheit Joule), die Masse (Maßeinheit Gramm) oder die Stoffmenge (Maßeinheit Mol) eines der ersten Syntheseprodukte, in der Regel Glucose (Traubenzucker), eingesetzt. Für Betrachtungen einer ganzen Pflanze, einer Pflanzengesellschaft, einer Mikroorganismenpopulation oder für globale Betrachtungen ist es günstig, die Masse der gesamten gebildeten Biotrockenmasse (oder des in ihr enthaltenen Kohlenstoffs) einzusetzen.
Der Effekt der Photosynthese kann auf verschiedene Energiegrößen (Maßeinheit Joule) bezogen werden, so dass es eine Reihe verschieden definierter Größen für die Effektivität gibt. Im Folgenden sind verwendete Energiegrößen aufgeführt. #Energie der Photonen, die für die Bereitstellung der erforderlichen Mengen an Reduktionsäquivalenten (NADPH+H⁺) und ATP in den Photosystemen umgesetzt werden, also der tatsächlich photochemisch wirksamen Photonen. #Energie der von den Photosystemen absorbierten Photonen, einschließlich der photochemisch nicht wirksamen. #Energie des gesamten von Chloroplasten absorbierten Lichts. #Energie des von Blättern absorbierten Lichts. #Energie des auf einen Pflanzenbestand oder einer Mikroorganismenpopulation eingestrahlten Lichts. #Energie des auf Teile oder die gesamte Oberfläche des Planeten Erde eingestrahlten Lichts.
Bei den Größen 4 bis 6 kann entweder die Energie des gesamten Spektrums der Einstrahlung von der Sonne verwendet werden oder auch nur der Teil des Spektrums, der prinzipiell für die Photosynthese nutzbar ist. Bei Pflanzen und Algen wird - je nach Autor - teils der Wellenlängenbereich von 360 bis 720 nm angenommen, teils der von 360 bis 700 nm und teils der von 400 bis 700 nm. Man bezeichnet diesen Anteil der Strahlung als photosynthetisch nutzbare Strahlung (englisch „Photosynthetically Active Radiation“, Abkürzung „PAR“). Je nach angenommenem Wellenlängenbereich beträgt die Energie der PAR 40 bis 50 Prozent derjenigen der gesamten Einstrahlung. Der Wirkungsgrad, der den primären Effekt der Photosynthese im Verhältnis zur Energie der photochemisch wirksamen Photonen quantifiziert, wird wie folgt berechnet:
- Um ein Elektron anzuregen, wird ein Lichtquant benötigt.
- Um ein NADP⁺ zu reduzieren, werden zwei Elektronen und ein Proton benötigt.
- Da jedes Elektron zweimal angeregt wird (durch Photosystem II und I), werden für die Erzeugung von einem NADPH+H⁺ vier Photonen benötigt.
- Da 24 Elektronen (bzw. 12 NADPH) für die Synthese von einem Molekül Glucose aus CO₂ und Wasser benötigt werden, werden insgesamt 48 Lichtquanten benötigt.
- Die Energie von Lichtquanten ist von ihrer Wellenlänge abhängig:
- E(λ = 400 nm) = 298 kJ/mol (blaues Licht)
- E(λ = 700 nm) = 168 kJ/mol (rotes Licht)
- Die für die Synthese von einem Mol Glucose benötigte Lichtenergie beträgt demnach je nach Wellenlänge zwischen 14300 kJ (Blau) und 8064 kJ (Rot)
- Die Freie Reaktionsenthalpie für die Bildung von Glucose aus CO₂ und H₂O beträgt unter Standardbedingungen 2862 kJ/mol.
- Das ergibt einen Wirkungsgrad zwischen 20,0 Prozent für blaues und 35,5 Prozent für rotes Licht. Nun besteht ein Blatt nicht nur aus energieliefernden Chloroplasten. Schätzt man die effektive Oberfläche ab, ebenso wie die Energie, die zur Aufrechterhaltung der Energieerzeugung notwendig ist, reduziert sich der Wirkungsgrad um mehr als eine Größenordnung. Eine Pflanze setzt sichtbares Sonnenlicht mit einen Wirkungsgrad von weniger als drei Prozent in Energie um. Für die Berechnung der globalen Effektivität der Photosynthese wird die jährliche Nettoprimärproduktion an Biomasse zur Energie der jährlich einfallenden Sonnenstrahlung ins Verhältnis gesetzt. Dabei können folgende Strahlungsgrößen eingesetzt werden: Die flächenbezogene Einstrahlung auf die Erdoberfläche bei klarer Atmosphäre ist abhängig vom Breitengrad und der Jahreszeit. Beispiele: Die Effektivität der Photosynthese als Anteil der auf die Erdoberfläche eingestrahlten Energie (als 100 % gesetzt), der in Photosyntheseprodukte umgesetzt wird (in % der Gesamteinstrahlung), wird wie folgt berechnet: Die tatsächliche Effektivität unter Feldbedingungen ist jedoch aus verschiedenen Gründen geringer, unter anderem wegen suboptimaler Kohlenstoffdioxid-Konzentration:
Andere Photosyntheseformen
Außer der oxygenen Photosynthese kommen bei Bakterien auch verschiedene Formen von anoxygener Photosynthese vor, bei denen kein Wasser als Reduktionsmittel für Kohlenstoffdioxid verwendet wird, also auch kein O₂ entsteht. Statt Wasser werden als Reduktionsmittel Schwefelwasserstoff (H₂S) (siehe Bild 2) oder zweiwertige Eisen-Ionen (Fe⁺⁺) genutzt, wodurch elementarer Schwefel (S) bzw. dreiwertige Eisen-Ionen (Fe⁺⁺⁺) als Abfallprodukte entstehen, oder molekularer Wasserstoff (H₂) ohne Bildung von Abfallprodukten. Auch bei der Photosynthese mit organischen Stoffen als Edukte wird kein O₂ gebildet, und diese Form der Photosynthese wird deshalb ebenfalls als anoxygen bezeichnet. Die Photosynthese mit H₂S als Reduktionsmittel kann beispielsweise durch folgende chemische Bruttogleichung beschrieben werden: CO₂ + 2 H₂S → (CH₂O) + 2 S + H₂O Darin steht (CH₂O) für einen fiktiven organischen Stoff als erstes Produkt der Photosynthese. Als Beispiel für die Lichtreaktion dieser Art von anoxygener Photosynthese wird in Bild 2 die Lichtreaktion bei der phototrophen Bakterien-Gattung Chlorobium vereinfacht schematisch dargestellt. Schwefel
Evolution
Die Fähigkeit zur Photosynthese ist offenbar schon sehr früh in der Evolution der Lebewesen und der Entwicklung der Erde entstanden, wahrscheinlich vor mehr als 3,8 Milliarden Jahren, vielleicht schon vor 4 Milliarden Jahren. Die oxygene Photosynthese hat sich wahrscheinlich vor etwa 3,5 Milliarden Jahren aus der schon davor etablierten anoxygenen entwickelt. Dafür, dass die anoxygene Photosynthese vor der oxygenen entwickelt wurde, spricht, dass die Reduktion von NADP⁺ mit H₂S (anoxygene Photosynthese) nur ein Lichtsystem benötigt (siehe Bild 1), die Reduktion von NADP⁺ mit Wasser (oxygene Photosynthese) aber wegen der größeren Differenz der Redoxpotentiale zweistufig verläuft und zwei hintereinandergeschaltete Lichtsysteme mit zwei etwas verschiedenen Chlorophyllen erfordert (siehe Bild 2), also komplizierter ist. In der Frühzeit der Erd- und Lebewesenentwicklung war durch die Entgasung der Erde reichlich Schwefelwasserstoff als Reduktionsmittel an ihrer Oberfläche vorhanden.
Bedeutung

- Auf der Erde liegt der elementare, molekulare Sauerstoff (O₂) gasförmig in der Atmosphäre und gelöst in den Gewässern vor. Er stammt fast ausschließlich aus der oxygenen Photosynthese. Ohne die oxygene Photosynthese könnten aerobe Organismen wie Menschen und Tiere nicht leben, da nur durch diesen Prozess elementarer, molekularer Sauerstoff (O₂) für deren Atmung gebildet wird und organische Stoffe als Nährstoffe produziert werden ("Primärproduktion organischer Stoffe"). Die oxygene Photosynthese ist die wichtigste biochemische Reaktion auf der Erde und liefert jährlich etwa $10^$ t organische Stoffe.
- Auch alle fossilen Rohstoffe und Energiespeicher wie Braunkohle, Steinkohle und Erdöl sind Folgeprodukte der Photosynthese.
- In der Stratosphäre wird aus O₂ Ozon O₃ gebildet, welches einen Großteil der für Lebewesen schädlichen UV-Strahlung absorbiert. Erst dadurch ist Leben an Land möglich geworden.
- Durch Beschattung und Verdunstung sorgt die Vegetation für ein ausgeglicheneres Klima.
Produktivität
Die jährliche Photosynthese-Nettoprimärproduktion, das ist die Primärproduktion abzüglich der Verluste durch Veratmung, angegeben als Kohlenstoff-Masse in der gebildeten Biomasse, beträgt Die durchschnittliche jährliche Photosynthese-Nettoprimärproduktion beträgt Maximale Produktivität von Agrarpflanzen auf Freiflächen unter günstigen Bedingungen als Biotrockenmasse-Bildung je Flächen- und Zeiteinheit:
Photosynthese unter Wasser
Die meisten Tiere und Mikroorganismen im Wasser benötigen Sauerstoff zur Atmung. Er gelangt nicht nur aus der Luft - durch Regen, Wind, Wellen und an Wasserfällen - ins Wasser. In ruhigen, stehenden Gewässern sind die Unterwasserpflanzen (Algen und Makrophyten) die Haupterzeuger des Sauerstoffs. Ferner sind sie die Primärproduzenten von Biomasse in der Nahrungskette. Dieser Vorgang ist nur bei Licht möglich. Der bei der Photosynthese freigesetzte Sauerstoff wird an das Wasser abgegeben. An sonnigen Tagen kann dieser Prozess an den Makrophyten beobachtet werden: Man erkennt, wie sich kleine Gasperlen an der Pflanze bilden und in Abständen zur Wasseroberfläche aufsteigen, besonders intensiv an einem abgebrochenen Blatt oder Stiel. Diese Bläschen bestehen allerdings nicht aus reinem Sauerstoff, sondern enthalten auch Stickstoff und andere Gase mit einem Partialdruck proportional zu deren Lösungs-Partialdruck ( = Konzentration / Löslichkeitskoeffizient) in der Umgebung der Bläschen. Bei ausreichender Sonnenbestrahlung und genügend hoher Bestandsdichte der Algen und Wasserpflanzen erreicht die Sauerstoffkonzentration des Wassers durch die Photosynthese höhere Werte, als dem Gleichgewicht mit der Luft ("Sättigung") entspricht. Seine höchste Konzentration erreicht der Sauerstoff in der Abenddämmerung, wenn die Photosynthese wegen der Abnahme des Lichtes auf die Rate der Atmung zurück geht und diese noch gerade kompensiert ("Abendlicher Kompensationspunkt") Der pH-Wert steigt bei intensiver Photosynthese wegen des Verbrauchs an CO₂ an (bis über 9). Algen und Wasserpflanzen, die Hydrogencarbonat (HCO₃^-) verwerten können (z.B. Zygnema, Spirogyra), treiben durch Abspaltung von Hydroxylionen den pH-Wert lokal sogar bis 11. Sie treten vor allem dort in Aktion, wo wenig Atmungs-CO₂ verfügbar ist. Denn die Konzentration von CO₂ im Wasser im Gleichgewicht mit dem Partialdruck des CO₂ in der Luft liegt bei nur etwa 1,0 mg/l (0 °C) bis 0,3 mg/l (30 °C). In der Nacht findet nur die Dissimilation unter Veratmung von Assimilaten statt, wodurch Sauerstoff verbraucht wird. Daran ist, entsprechend ihrem überwiegenden Biomasseanteil (siehe Nahrungspyramide), ganz vorrangig die Atmung der Pflanzen und Algen beteiligt. Die Konzentration des Sauerstoffs sinkt dabei wieder und erreicht ihren geringsten Wert in der Morgendämmerung, wenn die mit dem Licht aufkommende Photosynthese gerade die Atmung kompensiert ("Morgendlicher Kompensationspunkt"). Einen zum Sauerstoff analogen Tageszyklus vollzieht der pH-Wert, bedingt durch den gegenläufigen Zyklus des Verbrauchs und der Freisetzung von CO₂. Der im Wasser erzeugte Sauerstoff ist nicht nur für Fische und alle anderen höheren Organismen lebensnotwendig, sondern dient auch der Selbstreinigung der Gewässer, indem aeroben Mikroorganismen ein oxidativer Abbau organischer Stoffe ermöglicht wird.
Weitere Aspekte der Photosynthese
Die Photosynthese ist der Stoffwechselprozess, der den Pflanzen Wachstum ermöglicht und damit für große, qualitativ hochwertige Pflanzen wesentlich verantwortlich ist. Eine Möglichkeit, Wachstum und Ertrag bei Kulturpflanzen zu steigern, besteht darin, alle für die Photosynthese wichtigen Faktoren im ökologischen Optimum zu halten. Dies ist vor allem in Gewächshauskulturen möglich. Bäume produzieren, wie alle grünen Pflanzen, Sauerstoff. Sie verbrauchen ihn aber auch nachts besonders intensiv, entsprechend ihrer Biomasse. Außerdem wird letztendlich beim Abbau jeglicher Pflanzenmasse wieder genau so viel Sauerstoff verbraucht, wie bei ihrem Wachstum entstand. Die Funktion von Wäldern und Parks als »Grüne Lunge« gilt besonders in der Nähe von Städten und Ballungsgebieten als besonders (lebens-)wichtig. Das kann sich folglich nur auf die Wirkung als Staubfilter beziehen. Mit ihren Blättern und Nadeln wirken die Bäume der Wälder und Parks wie riesige Filter. 1 ha Buchenwald kann jährlich rund 70 t, 1 ha Fichtenwald etwa 30 t Staub aus der Luft herausfiltern.
Literatur

- Jens Kurreck, Dominique Niethammer, Harry Kurreck: Primärprozesse der Photosynthese und ihre Modellierung. Chemie in unserer Zeit 33(2), S. 72 - 83 (1999), ISSN 0009-2851
- Roswitha Harrer: Proteine der Photosynthese: Aus Licht wird Leben. Chemie in unserer Zeit 37(4), S. 234 - 241 (2003), ISSN 0009-2851
Weblinks

- [http://www.abi-bayern.de/bio/fotosynthese.htm Abiturvorbereitung für den Grundkurs Biologie]
- [http://www.biologie.de/w/applets/photosynthese.swf Biologie.de Photosynthese Flash]
- [http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/d24/24.htm Botanik online: Photosynthese]
- [http://www.u-helmich.de/bio/stw/reihe4/photosynthese.html Photosynthese]
- [http://www.egbeck.de/skripten/12/bs12-10.htm Photosynthese (Biologiekurs Klasse 12)]
- [http://hlab2.uni-muenster.de/photosyn/ps00035.html#top Photosynthese – Pflanzen verwerten Lichtenergie]
- [http://photoscience.la.asu.edu/photosyn/photoweb/default.html Photosynthesis and the Web: 2005] Exzellente englischsprachige hyperlink-basierte Seite zum Thema
- [http://www.supernovae.de/schule/biologie/biologie%20protokoll%20fotosynthese.html Versuche zur Fotosynthese]
Siehe auch

- Anabolismus, Cytochrom, Phosphofructokinase, Katalase, Glukose-Stoffwechsel, Thylakoid, Grätzel-Zelle Kategorie:Photosynthese Kategorie:Solarenergie ja:光合成 ko:광합성 ms:Fotosintesis simple:Photosynthesis th:การสังเคราะห์ด้วยแสง

Komplementärfarbe

Komplementärfarbe (lat. complementum: Ergänzung) ist ein Begriff aus der Farbenlehre. Komplementär ist eine Farbe immer in Bezug zu einer anderen Farbe: Komplementärfarben mischen sich bei der Additiven Farbmischung (beispielsweise dem gleichzeitigen Leuchten zweier farbiger Strahler) zu Weiß und bei der Subtraktiven Farbmischung (die angenähert im Farbmalkasten realisiert ist) zu Schwarz. Den erzielten Farbeffekt nennt man Komplementärkontrast. Komplementärkontrast Komplementärkontrast Im Farbkreis stehen sich Komplementärfarben stets genau gegenüber. Deshalb werden sie auch gelegentlich als "Gegenfarben" bezeichnet. In der nachfolgenden Tabelle wird dies an den Grundfarben der additiven Farbmischung gezeigt: Die Tabelle kann in beide Richtungen gelesen werden (z.B. ist Rot auch die Komplementärfarbe zu Cyan). Farbkreis Da einige Komplementärfarben den selben Helligkeitswert haben können, können sie von Menschen mit veränderter Farbsicht nicht immer unterschieden werden. (Rot/Grün-Sehschwäche bzw. Farbenblindheit). Dies zeigt die Abbildung desselben Farbkreises in Graustufen. Komplementärfarben sind auch verantwortlich für eine Klasse von optischen Täuschungen. Da Farbkontraste im Sehorgan überhöht werden, werden Komplementärfarben auch gerne in der Werbung genutzt: Fleisch vor grünem oder Salat vor rötlichem Hintergrund sieht einfach frischer aus. Eine weitere Anwendung des Komplementärfarbenprinzips findet man bei Waschmitteln, deren blaue Zusätze älterer weißer Wäsche ihren Gelbstich nehmen. Siehe auch: Farbe, Grundfarbe Kategorie:Fototechnik Kategorie:Farbe

Chlorophyll

Das Chlorophyll (griechisch χλωροφύλλη, weiblich, von χλώρος, chlóros - der hellgrüne, frische und φύλλο[ν], phýllo[n] - das Blatt) bezeichnet diejenigen Farbstoffe, durch die Pflanzen ihre grüne Farbe erlangen und mit denen sie bei der Photosynthese Lichtenergie in eine für sie nutzbare Form umwandeln. Chlorophylle bestehen aus zwei Teilen: einem unpolaren Teil, mit dem das Chlorophyll in der Membran der Chloroplasten verankert ist, und einem komplexen polaren Teil, der für die Farbe zuständig ist. Der polare Teil ist ein Porphyrin mit Magnesium im Zentrum und mit Seitengruppen. Es gibt verschiedene Typen von Chlorophyll, die sich in den Seitengruppen des Porphyrins unterscheiden. Sie besitzen verschiedene Absorptionsspektren und kommen bei verschiedenen phototrophen Organismen vor:
- Chlorophyll a blaugrün, bei Cyanobakterien, allen phototrophen Eukaryoten
- Chlorophyll b grün, bei Chlorophyta (Grünalgen, Landpflanzen), Euglenophyta
- Chlorophyll c gelbgrün, ersetzt Chlorophyll b bei Phaeophyceae (Braunalgen), Bacillariophyceae (Kieselalgen), Chrysophyceae (Goldalgen), Xanthophyceae (Gelbgrüne Algen), Haptophyceae, Dinophyceae, Cryptophyceae
- Chlorophyll d ersetzt Chlorophyll b bei Rhodophyta (Rotalgen)
- Bacteriochlorophyll a bei Chromatiaceae (Schwefelpurpurbakterien)
- Bacteriochlorophyll b bei Chromatiaceae (Schwefelpurpurbakterien)
- Bacteriochlorophyll c bei Chlorobiaceae (Grüne Schwefelbakterien)
- Bacteriochlorophyll cs bei Chloroflexaceae (Grüne Nichtschwefel-Bakterien)
- Bacteriochlorophyll d bei Chlorobiaceae (Grüne Schwefelbakterien)
- Bacteriochlorophyll e bei Chlorobiaceae (Grüne Schwefelbakterien)
- Bacteriochlorophyll g bei Heliobacteria Heliobacteria Chemisch gesehen sind die Chlorophylle organische Komplexe (basierend auf Porphyrin) mit einem Mg²⁺-Ion als Zentralion. Der organische Teil wirkt als vierzähniger Ligand des Chelatkomplexes. Eine sehr ähnliche Struktur besitzen die Häme, die Bestandteil des Blutfarbstoffs (Hämoglobin), des Myoglobins und der Cytochrome sind, wobei in den Hämen Eisen statt Magnesium das Zentralatom ist. Beim Chlorophyll a ist der kettenförmige Teil des Moleküls eine veresterte Form des Phytols. Bei Grünalgen und Landpflanzen wird für die Photosynthese die Lichtenergie in zwei gekoppelten Chlorophyll a-Molekülen, dem aktiven Zentrum, aufgefangen und auf ein Elektron übertragen, das daraufhin eine Elektronentransportkette durchläuft. Das Chlorophyll b fungiert hauptsächlich als Lichtsammelpigment, das die Energie eingefangener Lichtquanten an das aktive Zentrum weiterleitet. Chlorophyll wird in der Technik der Photozellen als Bestandteil der Grätzel-Zelle genutzt, um mittels Photovoltaik die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie zu wandeln. Chlorophyll ist gut löslich in Ethanol, Aceton und anderen Lösungsmitteln mit ähnlichen Eigenschaften. Als Lebensmittelzusatzstoff erhält Chlorophyll die Kennnummer E 140.

Weblinks

- [http://www.iqo.uni-hannover.de/ap/versuche/D08.pdf Absorptionsspektrum von Chlorophyll (Abschnitt 5.4)]
- [http://www.tgs-chemie.de/stoffwechsel1.htm#3.1.3%20Licht-%20und%20Dunkelreaktionen noch ein Absorptionsspektrum]
- [http://chloroplasten.defined.de/cphyll.htm Facharbeit: Chloroplasten als Orte der Photosynthese], Abschnitt Chlorophyll
- [http://publicrelations.unibe.ch/unipress/heft110/beitrag7.html Zum Chlorophyll-Abbau ODER Warum Blätter im Herbst gelb werden] Kategorie:Photosynthese Kategorie:Chemische Verbindung Kategorie:Pigment ja:葉緑素 ko:엽록소 ms:Klorofil

Ligandenfeldtheorie

Die Ligandenfeldtheorie ist eine moderne Theorie der Komplexchemie zum Verhalten der Liganden im elektrischen Feld eines metallischen Zentralatoms. Sie wurde in den 30er und 40er Jahren des 20. Jahrhunderts durch Kombination der Kristallfeldtheorie mit der Orbitaltheorie entwickelt. Beim Zentralatom handelt es sich ausschließlich um Übergangsmetalle, da nur diese teilweise unbesetzte d-Orbitale besitzen . Bei dieser Theorie werden die Wechselwirkungen der Liganden mit den d-Orbitalen des Zentralatoms betrachtet. In einem isolierten Übergangsmetallion sind alle d-Orbitale entartet, d.h. sie besitzen die gleiche Energie. Dies ändert sich, wenn sie unter dem Einfluss des Elektrischen Feldes von Liganden stehen. Die Ligandenfeldtheorie findet auch Anwendung in der Festkörperphysik zur Beschreibung von tiefen Störstellen in Halbleiter-Kristallen. __TOC__

Oktaedrische Komplexe

Betrachtet man einen oktaedrischen Komplex, dann erfolgt zwischen den d-Orbitalen des Zentralatoms und den einsamen Elektronenpaaren der sechs Liganden eine Abstoßung. Dadurch erhöht sich die Energie der d-Orbitale. Die Energieerhöhung ist aber nicht gleichmäßg. Die Orbitale d_z² und d_x²-y² weisen in Richtung der Koordinatenachsen zu den Liganden hin, sie besitzen höhere Energie, während die d_xy-,d_xz- und d_yz-Orbitale zwischen den Koordinatenachsen liegen und daher energetisch abgesenkt sind. Die Aufspaltung erfolgt nach dem Schwerpunktsatz. Sind alle Orbitale mit zwei Elektronen besetzt, dann gilt: + 4
- 6 Dq - 6
- 4 Dq = 0. Schwerpunktsatz Für Übergangsmetallionen mit 1,2,3,8,9 und 10 d-Elektronen gibt es nur einen energieärmsten Zustand. Für Übergangsmetalle mit 4,5,6,7 Elektronen sind zwei Zustände möglich: # Der high-spin-Zustand, hier sind die d-Orbitale mit einer größtmöglichen Anzahl von ungepaarten Elektronen besetzt. # Der low-spin-Zustand, hier wird die geringst mögliche Anzahl ungepaarter Eletronen erreicht. Um einen low-spin-Zustand zu erreichen muss Δ_o größer als die Spinpaarungsenergie sein. Für einen high-spin-Zustand muss Δ_o kleiner als die Spinpaarungsenergie sein. Es ist also günstiger, Elektronen zu paaren und die e_g-Orbitale unbesetzt zu lassen, wenn Δ_o größer als die Spinpaarungsenergie ist. Verzerrungen der oktaederischen Geometrie entlang einer Raumachse können mit dem Jahn-Teller-Effekt erklärt werden.

Farbe von Komplexen

Die Ligandenfeldaufspaltung 10 Dq und damit die Energie, die zur Anregung der Elektronen erforderlich ist hängt von der Ladung des Zentralteilchens und von dem Liganden ab. Dadurch wird die Farbe von Komplexen bestimmt. Vereinfacht gesagt wird bei der Anregung eines Elektrons in ein um

\Delta E = h \nu

höheres Niveau ein Photon ( eine elektromagnetische Welle der Frequenz

\nu

) der selben Energie bzw. Frequenz absorbiert. Dadurch gelangen weniger Photonen dieser Frequenz bzw. Energie nicht mehr aus dem Komlex heraus, so dass dieser die Komplementärfarbe hat. Liganden sind in der spektrochemischen Reihe danach geordnet, wie stark sie das Ligandenfeld aufspalten können, das heißt wie groß 10 Dq ist. siehe auch: Spektroskopie

Weblinks

- http://www.ddesignmedia.de/Library2/ErsteSeite.htm Kategorie:Anorganische Chemie Kategorie:Festkörperphysik

Ligand

Die Bezeichnung Ligand (lat. ligare = binden) stammt aus der Komplexchemie (der Organik und Anorganik) und bezeichnet ein (meist negativ) geladenes Ion oder ungeladenes Molekül, das über eine sogenannte koordinative Bindung an ein Zentralteilchen (meist ein Metallkation) bzw. an ein Molekül gebunden ist. Als Ligand kann man auch allgemeiner eine Gruppe von Atomen oder einzelne Atome verstehen, die an ein zentrales Teilchen koordiniert sind. z.B. bei

SF_6

sind die 6 F-Atome Liganden des Zentralteilchens S. In der Biochemie sind Liganden Moleküle – seltener atomare Ionen –, die an die Andockstellen von aus Protein-Einheiten aufgebauten Rezeptoren binden, zum Beispiel bindet der Neurotransmitter Serotonin an Serotonin-Rezeptoren. Die Besonderheit der Komplexverbindung und der Unterschied zwischen der kovalenten und der koordinativen Bindung besteht darin, dass bei der koordinativen Bindung alle Bindungselektronen vom Ligand zur Verfügung gestellt werden, d. h. ein Ligand muss über mindestens ein freies Elektronenpaar verfügen. Beispiele für Komplexverbindungen sind z.B. das rote Blutlaugensalz (Kaliumhexacyanoferrat(III)), bei dem das zentrale Eisenion von sechs Liganden, in diesem Fall Cyanidionen umgeben ist. Oder auch das Chlorophyll, in dem das zentrale Magnesiumion von einem komplexen Porphyrin umgeben ist. Porphyrin In der pharmazeutischen Forschung werden neue Wirkstoffe entwickelt, indem computerunterstützt die Wechselwirkung von designten Liganden mit biologischen Rezeptoren virtuell berechnet wird. Wesentliche Parameter für die Simulationen sind d