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Ultraviolette Strahlung

1801

Johann Wilhelm Ritter

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Im Jahr 1801 beobachtete Johann Wilhelm Ritter, dass unsichtbare Strahlen jenseits des violetten Endes des Sonnenspektrums mit Silberchlorid getränktes Papier schneller schwärzten als violettes Licht selbst. Dies bewies die Existenz einer Lichtform jenseits des sichtbaren Spektrums, die er als „oxidierende Strahlen“ bezeichnete, um sie von den im Vorjahr entdeckten „Wärmestrahlen“ (Infrarot) abzugrenzen.

Johann Wilhelm Ritters Experiment war eine direkte Weiterführung von William Herschels Entdeckung der Infrarotstrahlung im Jahr 1800. Herschel hatte ein Prisma verwendet, um Sonnenlicht aufzuspalten, und Thermometer jenseits des roten Endes des Spektrums platziert, wobei er einen Temperaturanstieg feststellte. Ritter, fasziniert davon, beschloss, das andere Ende des Spektrums zu untersuchen. Er wusste, dass sich Silberchlorid in Gegenwart von Licht zersetzt und dass dieser Effekt bei violettem Licht stärker ausgeprägt ist. Er bestrahlte mit Silberchlorid getränkte Papierstreifen mit dem durch ein Prisma erzeugten Sonnenspektrum. Wie erwartet, verdunkelte sich das Papier im sichtbaren Spektrum, wobei der Effekt von Rot nach Violett zunahm. Entscheidend war, dass er einen Streifen knapp jenseits des violetten Endes platzierte, in einem Bereich, in dem kein sichtbares Licht vorhanden war, und feststellte, dass sich dieser Streifen noch schneller verdunkelte als der im violetten Licht. Dies bestätigte die Existenz von Strahlung mit einer stärkeren chemischen Aktivität als sichtbares Licht, die jenseits des Violetten liegt. Sein ursprünglicher Name lautete „oxidierende Strahlen“. Er hob dessen chemische Eigenschaften hervor, die später durch „chemische Strahlen“ und schließlich durch „ultraviolette Strahlen“ ersetzt wurden. Diese Entdeckung erweiterte das bekannte elektromagnetische Spektrum grundlegend und bewies, dass das menschliche Auge nur einen kleinen Teil davon wahrnimmt.

Chemisches Recycling, Chemie, Elektromagnetismus, Optik, Photonik, Physik, Spektroskopie

UNESCO Nomenclature: 2210

- Optik

Typ

Wissenschaftliche Entdeckung

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

Isaac Newtons Arbeit über das sichtbare Spektrum mithilfe von Prismen
William Herschels Entdeckung der Infrarotstrahlung (1800)
Carl Wilhelm Scheeles Beobachtungen zur Verdunkelung von Silbersalzen durch Licht

Anwendungen

Spektroskopie
UV-Fotografie
medizinische Bildgebung
Sterilisationstechniken
astronomische Beobachtung

Patente:

Potenzielle Innovationsideen

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Verwandte Themen: Entdeckung des Ultraviolettlichts, Johann Ritter, Silberchlorid, elektromagnetisches Spektrum, Spektroskopie, aktinische Strahlen, chemische Strahlen, Optik, Geschichte der Physik, Licht.

Historischer Kontext

Das Labor von Alessandro Volta bei der Demonstration der elektromotorischen Kraft mit frühen elektrischen Geräten.

Definition der elektromotorischen Kraft (EMK)

Die elektromotorische Kraft ([latex]\mathcal{E}[/latex]) ist die Arbeit, die pro Einheit elektrischer Ladung von einer nicht-elektrischen Quelle wie einer Batterie oder einem Generator verrichtet wird. Trotz ihres Namens handelt es sich nicht um eine mechanische Kraft, sondern um ein elektrisches Potenzial, das in Volt gemessen wird. Sie stellt die Energie dar, die von einer anderen Form (chemisch, mechanisch) in elektrische Energie umgewandelt wird, während eine Ladung die Quelle durchquert.

Voltaischer Stapel, der die elektrochemische Reaktion mit Zink- und Kupferelektroden zeigt.

Elektrochemische Reaktion in der Voltasche Säule

Der elektrische Strom in einem Voltastapel wird durch eine Redoxreaktion erzeugt. An der Zinkanode wird das Zinkmetall oxidiert, wobei zwei Elektronen pro Atom freigesetzt werden ([latex]Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}[/latex]). Diese Elektronen wandern durch den äußeren Stromkreis zur Kupferkathode. Dort werden die Wasserstoffionen aus dem wässrigen Elektrolyten reduziert und bilden Wasserstoffgas ([latex]2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow H_2[/latex]).

HVAC-Kontrollpanel mit Anzeige der absoluten Luftfeuchtigkeit in thermodynamischen Anwendungen.

Absolute Luftfeuchtigkeit

Die absolute Luftfeuchtigkeit ([latex]d_v[/latex]) ist die Gesamtmasse des Wasserdampfs ([latex]m_{H_2O}[/latex]) in einem bestimmten Luftvolumen ([latex]V_{Luft}[/latex]). Sie wird in Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter Luft ([latex]g/m^3[/latex]) angegeben. Die Formel lautet [latex]d_v = \frac{m_{H_2O}}{V_{air}}[/latex]. Im Gegensatz zur relativen Luftfeuchtigkeit ist sie nicht von der Temperatur der Luft abhängig, sondern wird durch Änderungen des Luftdrucks oder -volumens beeinflusst.

Ultraviolette Strahlung

Glasapparatur zur Demonstration des Charles'schen Gesetzes in einer historischen Laborumgebung.

Charles' Gesetz (Vol-Temp-Gesetz)

Das Charles'sche Gesetz, auch bekannt als Volumen-Temperatur-Gesetz oder Gesetz der Volumina, besagt, dass für eine feste Masse eines idealen Gases bei konstantem Druck das Volumen, das es einnimmt, direkt proportional zu seiner absoluten Temperatur ist. Dies wird ausgedrückt als [latex]V \propto T[/latex] oder [latex]\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}[/latex]. Sie erklärt die Tendenz von Gasen, sich auszudehnen, wenn sie unter isobaren (druckkonstanten) Bedingungen erhitzt werden.

Labor aus dem 19. Jahrhundert, in dem Wissenschaftler die Atomstruktur und chemische Reaktionen untersuchen.

Moderne Atomtheorie

Die Atomtheorie geht davon aus, dass alle Materie aus diskreten Einheiten, den sogenannten Atomen, besteht. Ein Element besteht aus Atomen mit einer bestimmten Anzahl von Protonen im Kern. Während Atome einst als unteilbar galten, bestehen sie heute aus subatomaren Teilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Chemische Reaktionen beinhalten die Neuanordnung dieser Atome, die dabei erhalten bleiben.

Laboraufbau zur Demonstration des Avogadroschen Gesetzes in der physikalischen Chemie mit Gasmessungen.

Avogadros Gesetz

Das Avogadrosche Gesetz besagt, dass gleiche Volumina aller Gase bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl von Molekülen enthalten. Daraus ergibt sich eine direkte Proportionalität zwischen dem Volumen eines Gases und der Stoffmenge (Molzahl). Die mathematische Beziehung wird ausgedrückt als [latex]V \propto n[/latex] oder, allgemeiner, als [latex]V/n = k[/latex], wobei k eine Konstante ist.

1800

1801

1802

1808

1811

1800

1802

1810

1816

Galvanischer Korrosionsversuch mit Zink und Kupfer in Elektrolytlösung, Messung der elektrochemischen Reaktionen.

Galvanische Korrosion

Galvanische Korrosion ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem ein Metall bevorzugt korrodiert, wenn es mit einem anderen in elektrischem Kontakt steht und ein Elektrolyt vorhanden ist. Dies geschieht, weil die ungleichen Metalle ein bimetallisches Paar bilden, wobei das unedlere (aktivere) Metall als Anode fungiert und korrodiert, während das edlere Metall als Kathode wirkt.

Voltaischer Pfahl zur Demonstration der frühen elektrochemischen Energieumwandlung.

Prinzip der Voltasche Säule

Die erste elektrische Batterie erzeugte Gleichstrom durch die Übereinanderlagerung von Paaren unterschiedlicher Metallscheiben (z. B. Zink und Kupfer), die durch ein mit Salzlake getränktes Tuch getrennt waren. Jedes Paar bildete eine galvanische Zelle, und die Reihenschaltung erhöhte die Gesamtspannung. Diese Anordnung demonstrierte die erste kontinuierliche Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und ebnete den Weg für die moderne Elektrochemie.

Voltaischer Pfahl zur Demonstration der elektromotorischen Kraft in Reihenschaltung mit Zink- und Kupferzellen.

Elektromotorische Kraft und Reihenschaltung

Der Voltaische Pfahl begründete das Prinzip der Addition von Spannungen durch Reihenschaltung elektrochemischer Zellen. Jedes Zink-Kupfer-Paar, oder jede Zelle, erzeugt eine charakteristische elektromotorische Kraft (EMK) von etwa 0,76 Volt. Durch physisches Stapeln dieser Zellen zeigte Volta, dass die Gesamtspannung über dem Pfahl die Summe der einzelnen EMKs jeder Zelle ist, wie durch [latex]V_{Gesamt} = n \mal V_{Zelle}[/latex] beschrieben.

Fresnel-Zone

A Fresnel zone is one of a series of confocal prolate ellipsoidal regions in space between a transmitter and a receiver. The primary zone's boundary is the ellipsoid where the path length from transmitter to a point on the surface to the receiver is half a wavelength longer than the direct path, causing a 180-degree phase shift.

Schnellkochtopf und Aerosoldose veranschaulichen das Gay-Lussac-Gesetz in der Thermodynamik.

Gay-Lussac-Gesetz (Druck-Temperatur-Gesetz)

Dieses auch als Amontons'sches Gesetz bekannte Prinzip besagt, dass für eine feste Masse eines idealen Gases bei konstantem Volumen sein Druck direkt proportional zu seiner absoluten Temperatur ist. Die Beziehung wird mathematisch ausgedrückt als [latex]P \propto T[/latex] oder als Vergleich zwischen zwei Zuständen, [latex]\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}[/latex]. Dies beschreibt das Gasverhalten unter isochoren (volumenkonstanten) Bedingungen.

Gasmischapparatur in einem alten Labor für thermodynamische Anwendungen.

Daltons Gesetz der Partialdrücke

Das Daltonsche Gesetz besagt, dass in einem Gemisch aus nicht reagierenden Gasen der Gesamtdruck gleich der Summe der Partialdrücke der einzelnen Gase ist. Der Partialdruck eines Gases ist der Druck, den es ausüben würde, wenn es das gesamte Volumen bei gleicher Temperatur allein einnehmen würde. Die Formel lautet [latex]P_{Text{Gesamt}} = \sum_{i=1}^{n} p_i[/latex].

Elektrodenpolarisation in einem Voltasche-Säulen-Experiment, das die Bildung von Wasserstoffgas demonstriert.

Elektrodenpolarisationsbeschränkung

Ein Hauptfehler der Voltasche Säule ist die Elektrodenpolarisation. Während des Betriebs bildet das an der Kupferkathode entstehende Wasserstoffgas eine isolierende Blasenschicht auf deren Oberfläche. Diese Schicht erhöht den Innenwiderstand der Batterie und verringert die für Reaktionen verfügbare Oberfläche. Infolgedessen sinken Spannung und Stromstärke der Säule kurz nach Inbetriebnahme deutlich ab.

Schallgeschwindigkeit in einem idealen Gas

Die Schallgeschwindigkeit ([latex]c[/latex]) in einem perfekten Gas wird durch seine thermodynamischen Eigenschaften bestimmt, nicht allein durch seinen Druck oder seine Dichte. Die Formel lautet [latex]c = \sqrt{\gamma R_s T}[/latex], wobei [latex]\gamma[/latex] das Verhältnis der Wärmekapazität ([latex]c_p/c_v[/latex]), [latex]R_s[/latex] die spezifische Gaskonstante und [latex]T[/latex] die absolute Temperatur ist. Der Schall breitet sich also in heißerem Gas schneller aus.

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)