Absorption (Physik)

Grundprinzip der Absorption

Absorption bezeichnet in der Physik die Schwächung elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung beim Eindringen in ein Medium. Die Strahlung überträgt dabei ihre Energie ganz oder teilweise auf das Medium. Dessen Teilchen werden durch Strahlungsanregung oder Stöße in energetisch angeregte Zustände versetzt. Der Begriff umfasst elektromagnetische Wellen, Schallwellen, Teilchenstrahlen und einzelne Teilchen.

Absorption verringert die Transmission, also den durch einen Stoff hindurchgehenden Anteil einer Welle oder Strahlung. In der Optik werden Absorption, Streuung und Reflexion als abschwächende Effekte unter Extinktion beziehungsweise Absorbanz zusammengefasst. Davon zu unterscheiden sind Sorptionsprozesse wie die Aufnahme von Stoffen in kondensierte Phasen oder poröse Festkörper sowie Adsorption.

Abschwächung und Eindringtiefe

In einem homogenen absorbierenden Material ist bei niedrigen Energien die Absorptionswahrscheinlichkeit pro Wegeinheit in jeder Eindringtiefe gleich. Dann gilt das exponentielle Bouguer-Lambertsche Gesetz, oft Lambertsches Gesetz oder Lambert-Beersches Absorptionsgesetz:

I(d)/I₀ = e^(−μd) = τ.

I₀ ist der ursprüngliche Strom, I(d) der nach der Schichtdicke d verbleibende Strom und μ der Absorptionskoeffizient. μ hängt von den Eigenschaften des Materials und häufig von Energie, Teilchenart und Geschwindigkeit der Strahlung ab. Sein Kehrwert ist die Eindringtiefe; daraus kann die Dicke der Halbwertsschicht berechnet werden.

Nebeneffekte können von diesem Gesetz abweichen lassen. Sekundärelektronen entstehen im durchstrahlten Material; schnelle Protonen ionisieren nur schwach. Elektronen haben wegen ihrer Ladung eine scharf begrenzte maximale Eindringtiefe; als Faustregel gelten in Körpergewebe pro 2 MeV 1 cm. Hochenergetische Photonen und Elektronen geben ihre maximale Dosis einige Millimeter unterhalb der Haut ab. Die Erdatmosphäre und das Magnetfeld schützen die Erdoberfläche vor hochenergetischen Teilchen; nahe den Magnetpolen können diese Polarlichter erzeugen.

Schall und sichtbares Licht

Schallabsorption wandelt die Leistung von Luftschall, Körperschall oder Erdbebenwellen in thermische Energie um. Sie findet in dämpfenden Medien oder an Grenzschichten statt, etwa zwischen Luft und einer Festkörperoberfläche. Sie hängt unter anderem von Frequenz und Temperatur ab und ist in Gasen erheblich höher als in Festkörpern.

Bei elektromagnetischer Strahlung beschreibt der Absorptionsgrad die Stärke der Absorption eines Materials; er hängt meist von mehreren Größen wie Temperatur und Wellenlänge ab. Sichtbares Licht wird an Oberflächen oder beim Durchqueren von Materie material- und frequenzabhängig absorbiert. Seine Intensität nimmt entsprechend dem Lambert-Beerschen Gesetz mit Absorptionskoeffizient und Weglänge ab. Die Wellenlänge mit maximaler Absorption heißt Absorptionsmaximum und wird in Photometrie sowie UV/VIS-Spektroskopie genutzt.

Moleküle können verschiedene Frequenzbereiche unterschiedlich stark absorbieren. Eine gelb erscheinende Fläche reflektiert oder transmittiert bei weißem Licht grünes und rotes Licht, während sie blaues Licht absorbiert. Die aufgenommene Energie wird meist zu Wärme, kann aber als Fluoreszenz verzögert wieder Licht erzeugen oder durch den photovoltaischen Effekt in elektrische Energie umgewandelt werden. Ursache der Frequenzabhängigkeit ist die Bandstruktur: Photonen bestimmter Energie regen passende Quantenübergänge in Elektronenhüllen oder Molekülschwingungen an.

Röntgen- und Gammastrahlung

Für Röntgen- und Gammastrahlung nimmt die Intensität beim Durchgang durch Materie exponentiell ab:

I(d) = I₀ e^(−μd), mit μ = nσ.

Dabei ist n die Zahl der Atome pro Kubikmeter und σ der Wirkungsquerschnitt für Absorption. Die Halbwertsdicke ist umgekehrt proportional zu μ.

Bei Energieverlustprozessen zählt man den Photoeffekt, den Comptoneffekt und ab mindestens 1,022 MeV die Paarbildung zur Absorption. Beim Photoeffekt wird ein Elektron mit der Photonenergie abzüglich der Ionisationsenergie freigesetzt. Beim Comptoneffekt gibt das Photon nur einen Teil seiner Energie an ein Elektron ab. Bei der Paarbildung entstehen nahe einem Atomkern ein Positron und ein Elektron. Der Gesamtwirkungsquerschnitt lautet σAbs = σPhoto + σCompton + σPaar. Der Photoeffekt überwiegt bei kleinen Energien und hoher Ordnungszahl, Paarbildung bei hohen Energien und hoher Ordnungszahl, der Comptoneffekt bei mittleren Energien und niedriger Ordnungszahl.

Wird jeder Vorgang als Absorption gezählt, der ein Photon aus dem einfallenden Bündel entfernt, gehört auch Rayleigh-Streuung dazu: σ₂ = σPhoto + σCompton + σPaar + σRayleigh. Der zugehörige lineare Schwächungskoeffizient gilt idealisiert für einen dünnen, linienförmigen Strahl; bei einer dicken Wand kann beispielsweise hineingestreute Strahlung die einfache Beschreibung stören.

Atmosphäre, Fernerkundung und Funk

In der Fernerkundung bedeutet Absorption die Aufnahme elektromagnetischer Energie durch Atmosphäre oder Erdoberfläche. Die Energie wird vorübergehend gespeichert und nach dem Planckschen Strahlungsgesetz wieder emittiert. Die von der Sonne erwärmte Erdoberfläche sendet im mittleren Infrarot bei etwa 8 bis 14 µm. Wolken und Treibhausgase absorbieren diese Strahlung und emittieren sie verzögert in den Weltraum oder zur Erde; deshalb sind klare Nächte kälter als bedeckte.

LIDAR nutzt Wellenlängen, welche Spurengasmoleküle selektiv anregen. Damit lassen sich Schichtprofile von Spurengaskonzentrationen und über die Doppler-Verschiebung rückgestreuter Strahlung Windgeschwindigkeiten bestimmen. Die wellenlängenabhängige Absorption der Erdoberfläche hilft außerdem, Vegetationsarten und Temperaturen zu erkennen.

Funkwellen werden in der Atmosphäre durch freie Ladungsträger sowie durch Regen, Schnee und Hagel absorbiert, reflektiert und gestreut. Mittelwellen breiten sich tagsüber wegen der Ionisierung der unteren Atmosphäre schlecht, nachts dagegen gut aus. Bei Mikrowellen kann Niederschlag die Nachrichtenübertragung stark beeinträchtigen. Bei Radar ist Rayleigh-Streuung wichtig: Je kleiner die Wellenlänge, desto stärker streuen Teilchen, deren Größe weit unter der Wellenlänge liegt. Starke Ionisierung bei Sonnenstürmen kann Funkverkehr durch Absorption unterbrechen. Bei Wellenlängen unterhalb einiger Millimeter schränkt molekulare Absorption auch das Radiofenster für bodengebundene Radioastronomie ein.

Absorption freier Neutronen

Bei freien Neutronen wird Absorption unterschiedlich definiert. Kernphysikalisch kann damit jede Aufnahme eines freien Neutrons in einen Atomkern gemeint sein. Ein Urankern kann nach der Absorption spalten und dabei 2 bis 3 Neutronen freisetzen; die Absorption führt in diesem Fall zu einer Neutronenvermehrung.

In Reaktorphysik und bei Fusionsreaktor-Blankets bezeichnet Absorption dagegen nur Prozesse, welche die Gesamtzahl freier Neutronen in einem Volumen verringern. Dazu gehören (n,γ)-, (n,p)- und (n,α)-Reaktionen. Kernspaltung und (n,2n)-Reaktionen zählen dort zur Produktion, weil sie die Neutronenzahl erhöhen. Neutronenabsorber, auch Moderator genannt, dienen beispielsweise dazu, die Kernspaltungskettenreaktion im Reaktorkern eines Kernkraftwerks zu regeln oder abzuschalten.