Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase

2 Physikalische Grundlagen
Eine Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Molekülen, und
somit Absorption infraroter Strahlung, kann jedoch nur stattfinden, falls sich durch
die Schwingung das elektrische Dipolmoment ändert. Molekülschwingungen mit dieser
Eigenschaft werden IR-aktiv genannt. Damit sind symmetrische Schwingungen, bei
welchen der Ladungsschwerpunkt stets erhalten bleibt IR-inaktiv. Zweiatomige homonukleare
Moleküle können nur symmetrische Schwingungen ausführen und somit keine
Infrarotstrahlung absorbieren.
Abb. 2.7.: Normalschwingungen von Kohlendioxid und Wasser.
In Abb. 2.7 sind die Normalschwingungen für lineare dreiatomige Moleküle am Beispiel
von Kohlendioxid CO2 und für gewinkelte dreiatomige Moleküle am Beispiel von
Wasser H2O dargestellt. Allgemein unterscheidet man zwischen Valenzschwingungen
(Streckschwingungen), bei denen das Molekül entlang der Kernverbindungsachse
schwingt, und Deformationsschwingungen (Biege- bzw. Beugeschwingungen),
welche sich durch eine Deformation des Bindungswinkels auszeichnen. Den Schwingungstypen
lassen sich Schwingungsfrequenzen ν1, ν2 bzw. ν3 zuordnen. Im Fall von
CO2 lässt sich jede Schwingung durch eine Überlagerung der dargestellten vier Normalschwingungen
darstellen, wobei die Biegeschwingung hier zweifach entartet auftritt,
weil die Deformation in zwei Ebenen zu berücksichtigen ist. Es ist ersichtlich, dass
nur im Falle der symmetrischen Streckschwingung der Ladungsschwerpunkt erhalten
bleibt, diese also die einzige IR-inaktive Normalschwingung von Kohlendioxid darstellt.
Den jeweiligen Schwingungen lassen sich Wellenzahlen 10 zuordnen: die asymmetrische
10 ν 1
In der Spektroskopie bezeichnet die Wellenzahl ˜ν den Kehrwert der Wellenlänge: ˜ν = c = λ .
10