Absorption (Physik)

Der Begriff Absorption (lat.: absorptio = Aufsaugung) bezeichnet im Allgemeinen das Aufsaugen, das In-sich-Aufnehmen von etwas.
In der Physik kann dieses die Absorption (Dissipation) von einer Welle in einem dämpfenden Stoff oder Körper sein (elektromagnetische Wellen, Schallwellen) oder auch die Absorption von Teilchenströmen (Partikelstrahlen, radioaktive Strahlung) und Stoffströmen (Lösen von Stoffen ineinander).

Die Stärke der Absorption wird bei Teilchenströmen und Wellen durch einen Materialparameter beschrieben, den Absorptionsgrad α, engl. absorption coefficient, der i. d. R. von einer Vielzahl von Parametern (Temperatur, Wellenlänge) abhängig ist und bei großen Feldstärken nichtlinear werden kann.

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Absorption von Wellen und Teilchenstrahlen

Bei der Absorption von Wellen in einem absorbierenden, homogenen Material, ist die Wahrscheinlichkeit der Absorption pro Wegeinheit in jeder Eindringtiefe gleich. Dann gilt ein exponentielles Gesetz, das Bouguer-Lambertsche Gesetz (oft kurz Lambertsches Gesetz genannt, vergleiche aber Lambertsches Kosinusgesetz). Ist I₀ der ursprüngliche Strom, beträgt der nach Durchlaufen der Schichtdicke d noch vorhandene Strom I(d):

(Herleitung des Gesetzes: siehe Absorptionsgesetz). Dabei ist μ der von den Eigenschaften des absorbierenden Materials und oft auch von der Energie (Quantenenergie, Teilchenart und -geschwindigkeit) der Strahlung abhängige Absorptionskoeffizient. Sein Kehrwert ist die Eindringtiefe. Aus ihm lässt sich die Dicke der Halbwertsschicht berechnen.

Schall

Die Absorption von Schall findet durch Umwandlung der Leistung des Schalles (Luftschall, Körperschall, auch Erdbebenwellen) in thermische Energie in einem dämpfenden Medium oder an Grenzschichten (z. B. zwischen Luft, in der sich der Schall ausbreitet und einer Festkörperoberfläche) statt (Näheres siehe Schalldämpfung). Die Schallabsorption in Luft ist durch verschiedene thermodynamische Vorgänge bedingt.

Elektromagnetische Wellen

Licht

Absorbierte Lichtanteile werden nicht nur zu Wärme, sondern können auch durch Streuung an Aerosolen oder z. B. durch Fluoreszenz verloren gehen.
Die Lichtabsorption an Oberflächen ist meistens frequenzabhängig, also je nach Farbe unterschiedlich stark. Wird beispielsweise eine gelb erscheinende Oberfläche mit weißem Licht bestrahlt, wird entweder vorwiegend gelbes Licht reflektiert - ein gelber Farbeindruck entsteht jedoch auch, wenn nur grünes und rotes Licht reflektiert wird (additive Farbmischung). Bei transparenten Stoffen wird ein Teil transmittiert, ein Teil absorbiert und ein Teil reflektiert oder oft auch gestreut. Bei diffuser Reflexion spricht man auch von Remission.

Die Menge der auf dem Weg nicht absorbierten oder gestreuten Photonen hängt dabei nach dem Lambert-Beerschen Gesetz von der Schichtdicke des Materials ab. Daher ist z. B. der Himmel im Gebirge dunkler und die Sonne heller.
Die Absorption ist oft sehr selektiv - Photonen bestimmter Energie regen dabei Atome oder Moleküle an, die Quantenübergänge mit genau dieser Energiedifferenz in der Elektronenhülle oder in ihren Molekülschwingungen besitzen.
Grenzflächen verursachen eine zusätzliche, von der Brechzahldifferenz, der Einstrahlrichtung und der Polarisation abhängige Reflexion. Der Lichtdurchgang durch eine Platte einschließlich Absorption kann auch direkt aus der komplexen 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), Lichtleitkabel

Röntgen- und Gammastrahlung

    Auch beim Durchgang von Röntgen- und 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:

Hier ist μ = n · σ der Absorptionskoeffizient, gemessen in m⁻¹, n die Zahl der Atome im Material pro m³ 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 folgendermaßen absorbiert werden:

• durch den photoelektrischen Effekt, wobei ein Elektron mit der Energie des Quants freigesetzt wird, verringert um die Ionisationsenergie des betroffenen Atoms.
• durch den Comptoneffekt, hier gibt das Quant seine Energie teilweise an ein Elektron ab – das gestreute Photon hat eine verringerte Energie, es kann dieses bei genügender Restenergie dann wieder tun.
• bei Energien von mindestens 1,022 MeV) durch Paarbildung in der Nähe eines Atomkerns: es entsteht ein Positron und ein Elektron.

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 Gesamt-Wirkungsquerschnitt für Absorption ist gleich der Summe aus den Einzelquerschnitten für die drei Prozesse:

.

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.

Fernerkundung

In der Fernerkundung bezieht sich der Ausdruck Absorption auf das Aufnehmen von elektromagnetischer Strahlungsenergie durch die Atmosphäre oder die Erdoberfläche. So wird vorübergehend Energie gespeichert und entsprechend dem Planckschen Strahlungsgesetz wieder emittiert. So reemittiert die durch die Sonne erwärmte Erdoberfläche Strahlung im Wellenlängenbereich des mittleren Infrarot (etwa 8 bis 14 µm). Diese Strahlung wird durch Wolken oder Treibhausgase absorbiert und so verzögert in den Weltraum bzw. wieder zur Erde reemittiert. Daher wird es in klaren Nächten kälter als in bedeckten.

LIDAR ist in der Lage, ein Schichtprofil der Konzentration von Spurengasen zu liefern. Hierbei wird mit speziellen Wellenlängen gearbeitet, die die Moleküle der Spurengase selektiv anregen und so absorbiert und reemittiert werden. Auch ein Profil der Windgeschwindigkeit kann gewonnen werden (Dopplerverschiebung rückgestreuter Strahlung).

Farb- bzw. wellenlängenabhängige Absorption der Erdoberfläche hilft, zwischen verschiedenen Bedeckungen zu unterscheiden. Man nutzt den sichtbaren und den infraroten Spektralbereich, um Vegetationsarten und Temperaturen zu bestimmen.

Mit satellitengestütztem Radar kann man Oberflächenprofile gewinnen, aber auch Wellenfrequenz und -höhe bestimmen.

Funkwellen

Funkwellen zur Nachrichtenübertragung oder beim Radar werden in der Atmosphäre durch freie Ladungsträger (Ionisierung) sowie Regen und Schnee bzw. Hagel absorbiert, reflektiert und gestreut.
So breiten sich Mittelwellen tagsüber schlecht aus (Ionisierung der unteren Atmosphäre durch Sonnenstrahlung), nachts dagegen gut. Funkwellen großer Wellenlänge (Mittel- und Kurzwelle) werden unter flachem Winkel an der Unterseite der Ionosphäre reflektiert; Kurzwellen gelangen so um die gesamte Erde.
Während die Absorption von Mikrowellen an Niederschlag bei der Nachrichtenübertragung oft große Probleme bereitet (Richtfunk, Up- und Downlinks der Satellitenkommunikation), ist man mit Niederschlagsradar (bodengestützt) bzw Wetterradar an Bord von Schiffen und Flugzeugen in der Lage, Niederschlagsgebiete und sogar deren Tropfen- bzw. Hagelkorngröße sowie die Windgeschwindigkeit zu bestimmen. Hier ist die Rayleighstreuung maßgeblich - je geringer die Wellenlänge, desto stärker streuen Partikel mit Abmessungen wesentlich unterhalb der Wellenlänge. Die Windgeschwindigkeit wird anhand der Dopplerverschiebung der rückgestreuten Wellen bestimmt.

Bei Sonnenstürmen kann es zum Erliegen des Funkverkehrs kommen, wenn die Atmosphäre bis in niedrige Schichten ionisiert wird und Funkwellen absorbiert.

Absorption in der Verfahrenstechnik

Absorption von Stoffen

Die Absorption eines Stoffes durch einen anderen meint eine Vermischung ohne chemische Reaktion. Der Vorgang der Absorption wird durch eine Affinität des einen Stoffes für den anderen hervorgerufen - es besteht eine bestimmte Löslichkeit der Stoffe ineinander.

Handelt es sich um ein geschlossenes System z. B. mit einer Flüssigkeit und einem Gas, so 'strömen' zunächst Atome oder Moleküle 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 hängt hier hauptsächlich von der Menge eingelagerten Gases N_abs in der Flüssigkeit ab:

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

Die Absorption von Gasen kann nicht nur in eine Flüssigkeit sondern auch in einen festen Stoff erfolgen. 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.

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:

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; siehe Nernstscher Verteilungssatz.

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

Absorption / Adsorption

Schwebstoffe werden durch Filter aus einem Flüssigkeits- oder Gasstrom gefiltert. Werden dagegen Flüssigkeits- oder Gasbestandteile durch eine reaktive Oberfläche (Aktivkohle, Zeolithe) fest gebunden, so spricht man 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 feinen Poren des Filters zusetzen. Dabei nimmt auch der Luftwiderstand des Filters zu und dessen Porengröße ab.
Für Adsorptions-Filter ist es umgekehrt: Je stärker der Filter belegt ist, desto geringer ist die Rückhaltefähigkeit.
Die Adsorption wird zur Reinigung, Trocknung (Trockenmittel Silicagel, Zeolithe) und in Kältemaschinen verwendet (Adsorptionskältemaschine).

Wird ein 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) molekular 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/oder Temperaturerhöhung erfolgen.

Siehe auch

• Absorber (Physik) | Resorption | Sorption | Absorptionsspektrum | Reflexion (Physik) | Transmission (Physik) | Dissipation (Physik) | Absorptionsgrad | Reflexionsgrad | Transmissionsgrad | Dissipationsgrad |