Aufbau der Materie

Transmission, Extinktion und Lambert-Beer’sches Gesetz

Wie man die Schwächung von Licht in einer Lösung als Transmission und Extinktion angibt, beide ineinander umrechnet und mit dem Lambert-Beer’schen Gesetz auf Konzentration und Schichtdicke bezieht.

Prüfungsrelevanz: wichtig ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze6 Punkte
  • Das Lambert-Beer’sche Gesetz beschreibt die teilweise Absorption von Licht in einer Lösung: \(A = \lg(I_0/I) = \varepsilon \cdot c \cdot d\).
  • Die Transmission ist \(T = I/I_0\), die Extinktion ist \(A = -\lg T\); beide sind dimensionslos.
  • \(E = 1\) entspricht 10 % Transmission, \(E = 2\) entspricht 1 %, bei \(E > 1\) kommen weniger als 10 % durch.
  • Die Extinktion steigt linear mit Konzentration und Schichtdicke, die Transmission fällt dagegen exponentiell.
  • Der Absorptionskoeffizient hängt von der Lösung und der Frequenz des Lichts ab.
  • Die Treibhauswirkung von \(\ce{CO2}\) beruht auf der Absorption infraroter Strahlung.

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Worum es geht

Schickt man Licht durch eine gefärbte Lösung, kommt hinten weniger an. Wie viel weniger, beschreiben Transmission und Extinktion, und das Lambert-Beer’sche Gesetz verknüpft die Extinktion mit der Konzentration. Darauf beruht jede photometrische Gehaltsbestimmung, die du in der Spektroskopie anwendest.

Lichtabsorption

Eine farbige Lösung schluckt einen Teil des sichtbaren Lichts. Eine Kaliumpermanganatlösung etwa absorbiert vor allem Grün und erscheint deshalb violett. Das Licht wird beim Durchgang nur teilweise geschwächt. Genau diese teilweise Absorption beschreibt das Lambert-Beer’sche Gesetz.

Wie stark eine Lösung absorbiert, fasst der Absorptionskoeffizient \(\alpha\) zusammen. Er ist keine Naturkonstante. Er hängt von der Lösung ab, also vom gelösten Stoff und seinem Lösungsmittel, und von der Frequenz des Lichts. Deshalb misst man im Photometer bei einer festen Wellenlänge, meist im Absorptionsmaximum.

Transmission und Extinktion

Das Messprinzip ist einfach. Licht der Intensität \(I_0\) fällt auf eine Küvette der Schichtdicke \(d\). Hinter der Küvette kommt nur noch die kleinere Intensität \(I\) an.

Schema einer Küvette, links einfallender Lichtstrahl I0, rechts austretender schwächerer Strahl I, Schichtdicke d markiert.

Messprinzip: Die Küvette der Schichtdicke d schwächt das eingestrahlte Licht von I0 auf I.

Die Transmission ist der durchgelassene Anteil:

\[T = \frac{I}{I_0}\]

Sie liegt zwischen 0 und 1 oder wird in Prozent angegeben. Die Extinktion \(E\), international Absorbanz \(A\) genannt, ist ihr negativer dekadischer Logarithmus:

\[A = \lg\frac{I_0}{I} = -\lg T\]

Beide Größen sind dimensionslos. Der Logarithmus macht aus jedem Zehntelschritt der Transmission einen Einheitsschritt der Extinktion. Eine Extinktion \(E = 1\) entspricht also 10 % Transmission. Bei \(E > 1\) kommen weniger als 10 % des Lichts durch.

Transmission \(T\) Extinktion \(A\)
100 % 0
50 % 0,30
10 % 1
1 % 2
0,1 % 3
💡 Merke

Jede Extinktionseinheit mehr heißt: nur noch ein Zehntel der vorherigen Transmission.

Oft ist der absorbierte Anteil gegeben. Dann rechnest du zuerst die Transmission aus, denn nur sie steht in der Formel.

  1. Absorbierter Anteil: Eine Lösung absorbiert 75 % des Lichts.
  2. Transmission: \(T = 1 - 0{,}75 = 0{,}25\).
  3. Extinktion: \(A = -\lg 0{,}25 \approx 0{,}60\).

Das folgende Diagramm zeigt die Transmission dreier Lösungen über der Schichtdicke. Je konzentrierter die Lösung, desto steiler fällt die Kurve. Zwei Ablesungen musst du beherrschen. Die Lösung mit \(E > 1\) bei 1 cm ist die Kurve, die an der senkrechten 1-cm-Linie unter \(T = 0{,}1\) liegt. Die Schichtdicke für 10 % Transmission findest du dort, wo eine Kurve die waagrechte 0,1-Linie schneidet. An diesem Punkt ist \(E = 1\).

Diagramm mit drei fallenden Kurven der Transmission über der Schichtdicke, Hilfslinien bei 10 % Transmission und 1 cm.

Je konzentrierter die Lösung, desto steiler fällt die Transmission; am Schnitt mit der 10-%-Linie ist E = 1.

Lambert-Beer’sches Gesetz

Das Gesetz verbindet die Extinktion mit der Menge absorbierender Teilchen im Lichtweg.

🧮 Formelauswendig können

\[A = \lg\frac{I_0}{I} = \varepsilon \cdot c \cdot d\]

Größe Bedeutung Einheit
\(A\) Extinktion (Absorbanz) dimensionslos
\(I_0\), \(I\) Intensität vor und hinter der Probe W/m²
\(\varepsilon\) molarer Extinktionskoeffizient L/(mol·cm)
\(c\) Stoffmengenkonzentration mol/L
\(d\) Schichtdicke cm

Der molare Extinktionskoeffizient \(\varepsilon\) ist die Extinktion einer Lösung mit 1 mol/L bei 1 cm Schichtdicke. Wie \(\alpha\) hängt er vom Stoff und von der Wellenlänge ab.

Man kann sich vorstellen, dass das Licht die Teilchen zählt, an denen es vorbeikommt. Doppelte Konzentration oder doppelte Schichtdicke bedeutet doppelt so viele Teilchen im Lichtweg. Die Extinktion steigt daher linear mit \(c\) und mit \(d\), genauer mit dem Produkt \(c \cdot d\). Bei fester Schichtdicke ist sie direkt proportional zur Konzentration. Das nutzt man für Kalibriergeraden.

Die Transmission verhält sich anders. Jede zusätzliche Schicht lässt nur denselben Bruchteil durch, deshalb fällt \(T\) exponentiell. Verdoppelt man die Konzentration, wird aus \(T = 0{,}8\) der Wert \(T^2 = 0{,}64\) und nicht 0,4. Mehr dazu in Transmission bei Schichtdicke und Konzentration.

Zwei Diagramme nebeneinander: Gerade der Extinktion über der Konzentration und gekrümmte Kurve der Transmission über der Konzentration.

Die Extinktion steigt linear mit der Konzentration, die Transmission fällt exponentiell.

Bei geänderten Bedingungen rechnest du am einfachsten mit Verhältnissen. Dann kürzt sich \(\varepsilon\) heraus.

  1. Ausgangswert: Eine Lösung hat bei 1 cm Schichtdicke die Extinktion \(A_1 = 0{,}40\).
  2. Änderung: Die Konzentration wird verdreifacht, die Schichtdicke auf 0,5 cm halbiert.
  3. Verhältnis: \(\frac{A_2}{A_1} = \frac{c_2 \cdot d_2}{c_1 \cdot d_1} = 3 \cdot 0{,}5 = 1{,}5\).
  4. Ergebnis: \(A_2 = 1{,}5 \cdot 0{,}40 = 0{,}60\).

Typische Fehler sind schnell aufgezählt. Man setzt Prozent statt Anteil in den Logarithmus ein. Man nimmt \(\ln\) statt \(\lg\). Oder man behandelt die Transmission so, als wäre sie proportional zur Konzentration. Streng gilt das Gesetz zudem nur für verdünnte Lösungen und monochromatisches Licht.

Infrarotabsorption

Absorption gibt es nicht nur im Sichtbaren. Moleküle wie \(\ce{CO2}\) absorbieren infrarote Strahlung, weil diese ihre Molekülschwingungen anregt.

Die Erdoberfläche wird vom Sonnenlicht erwärmt und gibt die Energie als Wärmestrahlung im Infraroten wieder ab. \(\ce{CO2}\) in der Atmosphäre absorbiert einen Teil davon. Es strahlt die Energie in alle Richtungen wieder aus, auch zurück zum Boden. Darauf beruht seine Treibhauswirkung.

Schema mit Sonne, Erdoberfläche, nach oben gerichteten IR-Pfeilen und CO2-Molekülen, die Pfeile teilweise zurück zur Erde senden.

Treibhauswirkung: CO2 absorbiert die infrarote Wärmestrahlung der Erde und strahlt einen Teil zurück.

Der Abbau der Ozonschicht ist ein anderer Vorgang. Er betrifft die Absorption von UV-Strahlung durch Ozon und erklärt die Treibhauswirkung von \(\ce{CO2}\) nicht.

Quiz

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richtig oder falsch iWarum nur Aussagen? Fragen mit fünf Antworten löst man am sichersten, indem man jede Aussage einzeln bewertet: ✓✓ sicher richtig, ✓ eher richtig, 0 unsicher, ✗ eher falsch, ✗✗ sicher falsch. Mit dem Ausschlussprinzip ergibt sich daraus die Lösung. Dieses einzelne Bewerten ist der wichtigste Handgriff fürs Examen, und genau den übst du hier.

Aussage 1

Der Absorptionskoeffizient einer Lösung hängt von der Frequenz des eingestrahlten Lichts ab.

Er hängt von der Lösung und von der Lichtfrequenz ab, deshalb misst man bei fester Wellenlänge.

Aussage 2

Wird die Schichtdicke verdoppelt und gleichzeitig die Konzentration halbiert, bleibt die Extinktion unverändert.

Die Extinktion ist proportional zum Produkt \(c \cdot d\), und dieses ändert sich um den Faktor \(2 \cdot 0{,}5 = 1\).

Aussage 3

Eine Lösung mit der Extinktion 1 lässt 10 % des eingestrahlten Lichts durch.

Aus \(A = -\lg T = 1\) folgt \(T = 10^{-1} = 0{,}1\), also 10 %.

Aussage 4

Absorbiert eine Probe 75 % des Lichts, beträgt ihre Extinktion etwa 0,12.

Die Transmission ist 0,25, also \(A = -\lg 0{,}25 \approx 0{,}60\). Der Wert 0,12 entstünde fälschlich aus \(-\lg 0{,}75\), dem absorbierten Anteil.

Aussage 5

Verdoppelt man die Konzentration einer Farbstofflösung, halbiert sich ihre Transmission.

Linear ändert sich die Extinktion, sie verdoppelt sich. Die Transmission wird quadriert, etwa von 0,8 auf 0,64.

Aussage 6

Die Treibhauswirkung von \(\ce{CO2}\) beruht darauf, dass es die Ozonschicht abbaut.

Sie beruht auf der Absorption infraroter Wärmestrahlung der Erde durch \(\ce{CO2}\).

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