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2025-02-11T11:46:45Z

Sichtbares Licht: typo

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{{Belege fehlen|1=Belege fehlen weitgehend, weitere Quellenangaben wären erforderlich}}

[[Datei:Lichtabsorption im Wasser.webm|mini|Video: Lichtabsorption im Wasser]]
'''Absorption''' ({{laS|absorptio|de=Aufsaugung}}) bezeichnet in der [[Physik]] allgemein die Schwächung von [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischer]] oder [[Teilchenstrahlung]] beim Eindringen in ein Medium. Hierbei werden die Teilchen des Mediums durch Strahlungsanregung oder [[Stoß (Physik)|Stöße]] in energetisch [[Angeregter Zustand|angeregte Zustände]] überführt.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.spektrum.de/lexikon/physik/absorption/127 |titel=Absorption |werk=Lexikon der Physik |hrsg=Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg |datum=1998 |sprache=de |abruf=2023-04-20}}</ref> Die eindringende Strahlung kann ihre [[Energie]] dabei ganz oder teilweise auf das Medium, in das diese eindringt, übertragen.<ref>{{Gold Book|absorption|A00036 |Version=3.0.1}}</ref> Absorption umfasst neben Eindringen von [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Wellen]], [[Schall]]wellen sowie [[Teilchenstrahlung|Partikelstrahlen]] auch das Eindringen einzelner Teilchen in ein Medium. In manchen Arbeitsgebieten wird „Absorption“ je nach dem betrachteten Effekt in etwas verschiedener Bedeutung gebraucht, etwa bei Röntgen- und Gammastrahlung und bei freien Neutronen.

Absorption verringert die [[Transmission (Physik)|Transmission]] einer Welle oder Strahlung durch einen Stoff oder Körper. Weitere abschwächende Effekte wie [[Streuung (Physik)|Streuung]] oder [[Reflexion (Physik)|Reflexion]] werden in der [[Optik]] mit der Absorption unter dem Begriff [[Extinktion (Optik)|Extinktion]], auch ''Absorbanz'', zusammengefasst.

Absorption in der hier diskutierten Bedeutung ist von [[Sorption|Sorptionsprozessen]] zu unterscheiden, die etwa Absorption von [[Chemischer Stoff|Stoffen]] in [[Kondensierte Materie|kondensierten]] [[Phase (Materie)|Phasen]] oder [[Porosität|porösen]] [[Festkörper|Festkörpern]] (siehe [[Absorption (Chemie)]]) und [[Adsorption]] umfassen.

== Absorption von Wellen und Teilchenstrahlen ==
[[Datei:Tiefendosiskurven.svg|mini|Energieumsatz verschiedener Strahlungssorten als Funktion der Eindringtiefe]]

Bei der Absorption von Wellen in einem absorbierenden, homogenen Material ist die Wahrscheinlichkeit der Absorption pro Wegeinheit ''bei niedrigen Energien'' in jeder Eindringtiefe gleich. Dann gilt ein exponentielles Gesetz, das [[Bouguer-Lambertsches Gesetz|Bouguer-Lambertsche Gesetz]] – oft kurz Lambertsches Gesetz genannt (nicht zu verwechseln mit dem [[Lambertsches Gesetz|Lambertschen Kosinusgesetz]]). Ist ''I0'' der ursprüngliche Strom, beträgt der nach Durchlaufen der Schichtdicke ''d'' noch vorhandene Strom ''I''(''d''):
: <math>\frac{I(d)}{I_0} = e ^{-\mu d} = \tau \,</math>

(Herleitung des Gesetzes: siehe [[Absorptionsgesetz (Physik)|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.

Häufig treten jedoch Nebeneffekte auf, die zu ganz anderen Gesetzmäßigkeiten führen, wie im nebenstehenden Bild zu sehen ist. Dafür gibt es unterschiedliche Ursachen:
* Entstehung von Sekundärelektronen, die im durchstrahlten Material ausgelöst werden.
* Bei ''zu hohen'' Geschwindigkeiten ionisieren Protonen nur schwach.
* Elektronen besitzen wegen ihrer elektrischen Ladung eine scharf begrenzte maximale Eindringtiefe. Faustregel: in Körpergewebe (Fleisch) pro 2 MeV 1 cm.
* Hochenergetischen Photonen und Elektronen ist gemeinsam, dass sie ihr Dosismaximum nicht auf der Hautoberfläche, sondern einige Millimeter tiefer abgeben.

Die relativ dicke Luftschicht der Erde wirkt gemeinsam mit ihrem Magnetfeld als sehr wirksamer Absorber bzw. Teilchen-Ablenker hin zu den [[Pol (Geomagnetismus)|Magnetpolen]] der Erde für hochenergetische Teilchen von der Sonne oder aus dem Weltall. Je nach Teilchensorte und -energie steigt deshalb die Strahlungsaktivität im [[Van-Allen-Gürtel]] sehr stark an, die Erdoberfläche ist sehr gut geschützt. In der Nähe der Magnetpole erzeugen diese Teilchen [[Polarlicht|Polarlichter]] (siehe auch: [[Luftschauer]]).

== Schall ==
{{Hauptartikel|Schallabsorption|Schalldämpfung}}

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 [[Festkörper]]oberfläche – statt. Sie ist unter anderem frequenz- und temperaturabhängig. Die [[Schallabsorption]] in Luft ist durch verschiedene thermodynamische Vorgänge bedingt, dabei ist sie in [[Gas]]en erheblich höher als in Festkörpern.

== Elektromagnetische Wellen ==
[[Datei:Radio wave absorbing foam 4.jpg|mini|Schaumstoffpyramiden zur Absorption von elektromagnetischen Wellen bei funktechnischer Anwendung]]
Wenn [[Elektromagnetische Wellen|elektromagnetische Strahlung]] in einem Material absorbiert werden kann, wird die Stärke der Absorption durch einen Materialparameter beschrieben, den [[Absorptionsgrad]], der in der Regel von einer Vielzahl von Parametern (Temperatur, Wellenlänge) abhängig ist.

=== Sichtbares Licht ===
[[Datei:Carbon black.jpg|mini|[[Ruß]] erscheint schwarz, weil er bereits in geringer Dicke viel Licht aller sichtbaren [[Wellenlänge]]n absorbiert]]
Die [[Lichtabsorption]] an Oberflächen oder beim Durchqueren von Materie ist abhängig vom Material und von der Frequenz des Lichts. Die Abschwächung der Intensität entlang des Wegs ist proportional zum [[Absorptionskoeffizient]]en des durchstrahlten Materials und dessen Dicke. Daraus ergibt sich das [[Lambert-Beersches Gesetz|Lambert-Beersche Gesetz]]. Die Wellenlänge maximaler Absorption wird als ''Absorptionsmaximum'' bezeichnet und für die [[Photometrie]] und [[UV/VIS-Spektroskopie]] verwendet.

In Abhängigkeit von der möglichen [[Bandstruktur]] der Moleküle können verschiedene Frequenzbereiche des Lichts unterschiedlich absorbiert werden, d. h., je nach Farbe ist die Absorption unterschiedlich stark (siehe [[Resonanzabsorption]], [[Fraunhoferlinie]]n). Benachbarte Frequenzanteile werden je nach Material und Einfallswinkel des Lichtes entweder reflektiert oder [[Transmission (Physik)|transmittiert]]. Wird beispielsweise eine gelb erscheinende Oberfläche mit weißem Licht bestrahlt, wird das grüne und rote Licht reflektiert/transmittiert und blaues Licht absorbiert (vgl. [[Farbsynthese]]). Bei der Absorption von Licht wird die aufgenommene Energie meist in [[thermische Energie]] verwandelt. Es sind aber auch andere Mechanismen möglich wie die verzögerte Freisetzung von Licht in Form von [[Fluoreszenz]], oder die Umwandlung in [[elektrische Energie]] durch den [[Photovoltaischer Effekt|photovoltaischen Effekt]].

Wie bereits erwähnt, ist die Absorption (zum Teil stark) frequenzabhängig. Die Ursache liegt in der Bandstruktur des Materials, bei dem [[Photon]]en bestimmter Energie Atome oder Moleküle anregen, die [[Quant]]enübergänge mit genau dieser Energiedifferenz in der Elektronenhülle oder in ihren [[Molekülschwingung]]en (meist bei infrarotem Licht) besitzen.

Der Lichtdurchgang durch eine Platte einschließlich Absorption kann direkt aus dem komplexen [[Brechungsindex]] über die [[Kramers-Kronig-Beziehungen]] abgeleitet werden. Damit wird die [[elektromagnetische Wechselwirkung]] direkt mit einer Materialeigenschaft in Beziehung gesetzt.

=== Röntgen- und Gammastrahlung ===
[[Datei:Gamma Abs Al.png|mini|Der totale Absorptionskoeffizient ''μ'' von Aluminium (13Al) für Gammastrahlung, als Funktion der Gammaenergie, und die Beiträge der drei einzelnen Prozesse. Der Comptoneffekt überwiegt im ganzen gezeigten Bereich.]]
[[Datei:Gamma Abs Pb.png|mini|Der totale Absorptionskoeffizient ''μ'' von Blei (82Pb) für Gammastrahlung, als Funktion der Gammaenergie, und die Beiträge der drei einzelnen Prozesse. Der Photoeffekt überwiegt bei kleinen Energien; die Paarbildung beginnt bei 5 MeV zu überwiegen.]]

Auch beim Durchgang von [[Röntgenstrahlung|Röntgen-]] und [[Gammastrahlung]] durch Materie ist die Wahrscheinlichkeit für Absorption proportional der Dicke ''d'' des durchstrahlten Stoffes, ebenso die Wahrscheinlichkeit für Streuung. Daraus ergibt sich eine exponentielle Abnahme der Intensität mit zunehmender Dicke:
:<math>
I(d) = I_0 \, e ^{-\mu d} \,
</math>

Hier ist <math>\mu= n\,\sigma</math> der [[Absorptionskoeffizient]], <math>n</math> die Zahl der Atome im Material pro Kubikmeter und ''σ'' der [[Wirkungsquerschnitt]] für Absorption. In der Optik heißt dieses Gesetz das Lambert-Beersche Gesetz. Man kann die Schwächung des Strahls auch durch eine [[Halbwertsschicht|Halbwertsdicke]] beschreiben. Diese ist umgekehrt proportional zum Absorptionskoeffizienten.

==== Prozesse mit Energieverlust ====
Oft werden zur Absorption (nur) diejenigen Prozesse gezählt, bei denen ein [[Photon]] seine Energie teilweise oder ganz abgibt. Im Energiebereich der Gammastrahlung sind das:
* der [[Photoelektrischer Effekt|photoelektrische Effekt]], bei dem ein Elektron mit der Energie des Photons (verringert um die Ionisationsenergie des betroffenen Atoms) freigesetzt wird,
* der [[Comptoneffekt]]: das Photon gibt seine Energie teilweise an ein Elektron ab, und das gestreute Photon hat eine verringerte Energie,
* bei Energien von mindestens 1,022 M[[Elektronenvolt|eV]] die [[Paarbildung (Physik)|Paarbildung]] in der Nähe eines Atomkerns: an Stelle des Photons entstehen ein [[Positron]] und ein [[Elektron]].

Der [[Wirkungsquerschnitt]] für jeden dieser Prozesse hängt von der Energie des Photons und der [[Ordnungszahl]] des Materials 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 die Summe aus den Einzelquerschnitten der verschiedenen Prozesse, für die so definierte Absorption also:
:<math>
\sigma_\mathrm{Abs} = \sigma_\mathrm{Photo} + \sigma_\mathrm{Compton} + \sigma_\mathrm{Paar} \,
</math>.

Die freigesetzten Elektronen aus allen drei Prozessen können ihrerseits bei genügender Energie weiter ionisierend wirken.

==== Abschwächung des einfallenden Strahls ====
Zur „Absorption“ wird aber manchmal auch jeder Prozess gezählt, der ein Photon aus dem einfallenden Strahlenbündel entfernt, mit oder ohne Energieumsetzung. Dann muss bei Gamma- und Röntgenstrahlung auch die [[Rayleigh-Streuung]] mit berücksichtigt werden, die nur die Flugrichtung des Photons ändert. Der Gesamtwirkungsquerschnitt ist dann
:<math>
\sigma_2 = \sigma_\mathrm{Photo} + \sigma_\mathrm{Compton}+ \sigma_\mathrm{Paar} + \sigma_\mathrm{Rayleigh}\,
</math>.

Der so definierte Absorptionskoeffizient, der lineare Schwächungskoeffizient, ist in der Berechnung der oben beschriebenen exponentiellen Abnahme zu verwenden. Auch dann gilt diese nur mit gewissen Idealisierungen, z. B. für einen dünnen, linienförmigen Strahl. Bei Durchstrahlung etwa einer dicken, massiven Wand gilt sie nicht, weil es hier z. B. auch zur Hineinstreuung in den Strahl kommt.

=== Fernerkundung ===
[[Datei:Atmosphärische Durchlässigkeit DE.svg|mini|Die Bestandteile der Luft absorbieren bei unterschiedlichen Wellenlängen]]

In der [[Fernerkundung]] bezieht sich der Ausdruck Absorption auf das Aufnehmen von elektromagnetischer [[Strahlungsenergie]] durch die [[Erdatmosphäre|Atmosphäre]] oder die Erdoberfläche. So wird vorübergehend Energie gespeichert und entsprechend dem [[Plancksches Strahlungsgesetz|Planckschen Strahlungsgesetz]] in irgendeine Richtung 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 ([[Treibhauseffekt]]). 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 ([[Doppler-Effekt|Doppler-Verschiebung]] 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 [[Mittelwelle]]n tagsüber schlecht aus (Ionisierung der unteren Atmosphäre durch Sonnenstrahlung), nachts dagegen gut. Weil die Absorption im [[Plasma (Physik)|Plasma]] [[Brechungsindex#Brechungsindex des Plasmas|polarisationsabhängig]] ist, werden auf der nördlichen Halbkugel linkszirkuläre Funkwellen großer Wellenlänge (Mittel- und [[Kurzwelle]]) fast vollständig absorbiert. Nur rechtszirkuläre Wellen werden an der Unterseite der [[Ionosphäre]] reflektiert, wenn sie unter ausreichend flachem Winkel auftreffen; Kurzwellen gelangen so um die gesamte Erde.

Während die Absorption von Mikrowellen an Niederschlag bei der Nachrichtenübertragung oft große Probleme bereitet ([[Richtfunk]], Up- und Down-Links 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 [[Rayleigh-Streuung]] maßgeblich – je geringer die Wellenlänge, desto stärker streuen Partikel mit Abmessungen wesentlich unterhalb der Wellenlänge. Die Windgeschwindigkeit wird anhand der Doppler-Verschiebung der rückgestreuten Wellen bestimmt.

Bei [[Sonnensturm|Sonnenstürmen]] kann es zum Erliegen des Funkverkehrs kommen, wenn die Atmosphäre bis in niedrige Schichten ionisiert wird und Funkwellen absorbiert (siehe auch [[Ionosphärenstörung]]).

Die Absorption von Radiowellen durch Moleküle der Erdatmosphäre wird bei Wellenlängen unterhalb einiger Millimeter (also Frequenzen in der Größenordnung von hundert und mehr Gigahertz) so stark, dass sie den für bodengebundene Radioastronomie geeigneten Bereich („[[Radiofenster]]“) einschränkt.

Zur Realisierung von [[Absorberkammer|Funkmesszellen]] müssen die Wände entweder hohen Absorptionsgrad besitzen oder möglichst große Oberfläche, wie im Bild gezeigt. Dann genügt auch geringerer Absorptionsgrad des Materials. Wegen der sehr unruhigen Oberfläche können auch kaum gerichtete Reflexionen auftreten.

== Freie Neutronen ==
Auch im Zusammenhang mit [[Neutron]]en wird der Begriff Absorption nicht einheitlich verwendet. Als Absorption kann einerseits vom kernphysikalischen Standpunkt jede Aufnahme eines freien Neutrons in einen [[Atomkern]] bezeichnet werden, gleichgültig, wie der Kern sich danach verhält. Ein [[Uran]]kern kann sich z. B. nach der Absorption [[Kernspaltung|spalten]]. Dabei werden 2 bis 3 Neutronen freigesetzt; die Absorption hat dann zu einer Neutronenvermehrung geführt.

In der [[Reaktorphysik]] und Physik der [[Fusionsreaktor]]-[[Blanket]]s dagegen geht es oft um die Berechnung einer „Neutronenbilanz“. Hier werden unter Absorption (nur) diejenigen Prozesse zusammengefasst, die die Gesamtzahl der freien Neutronen im betrachteten Volumen verringern, wie z. B. (n,γ)-, (n,p)- oder (n,α)-[[Kernreaktion|Reaktionen]]. Prozesse wie die Kernspaltung oder (n,2n)-Reaktionen zählen hier dagegen zur ''Produktion'', weil sie die Neutronenzahl erhöhen.

[[Neutronenabsorber]], die die Neutronenzahl vermindern, auch [[Moderator (Physik)|Moderator]] genannt, dienen beispielsweise der Regelung und dem Abschalten der Kernspaltungskettenreaktion im Reaktorkern eines Kernkraftwerks.

== Weblinks ==
{{Wiktionary|Absorption}}
* [http://www.webgeo.de/k_308/ ''Absorption solarer Strahlung in der Atmosphäre'']. Institut für Physische Geographie (IPG). Abgerufen am 27. September 2010.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Akustik]]
[[Kategorie:Optik]]
[[Kategorie:Wikipedia:Artikel mit Video]]

Absorption (Physik) - Versionsgeschichte

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