Absorption (Physik)

Der Begriff Absorption (lat.: absorptio bzw. absorbere = ab-, (auf-)saugen) bezeichnet im Allgemeinen das Aufsaugen, das In-sich-Aufnehmen von etwas. Im folgenden sollen die physikalischen Bedeutungen des Begriffs Absorption erläutert werden. In der Physik ist die Energie-Absorption mit Dissipation in einem Körper verbunden und ist damit von einem Energiedurchgang zu unterscheiden.

Allgemein

Ganz allgemein kann Absorption durch eine Absorptionsrate oder Absorptionsgrad beschrieben werden. Egal ob es sich um Schallwellen, Photonen oder Teilchen handelt, lassen sich diese von der Struktur gleich behandeln.

Absorption von Strömen

Bei Absorption von Strömen in einem dicken absorbierenden Material wird pro Schicht ein bestimmter Bruchteil des Stromes absorbiert. Der Strom I, der hinter dieser Schichtdicke d noch verfügbar ist, ermittelt sich mit:

$I(d)=I_{0}k$

wobei k ein Bruchteil des transmittierten Stromes ist.

Damit ergibt sich das allgemeine Lambert-Beersche Gesetz:

$I(d)=I_{0}\exp(-\alpha d)$

wobei $\alpha$ der Abschwächungskoeffizient ist (aus dem reziproken Abschwächungskoeffizient lässt sich die Halbswertsdicke ermitteln, die angibt, nach welcher Tiefe nur noch die Hälfte des Stromes vorhanden ist).

Der Abschwächungskoeffizient hängt von den Eigenschaften des absorbierenden Materials ab und in der Regel von der Energie des Stromes.

Absorption von Teilchen

Wenn es sich um ein Teilchenstrom handelt, lässt sich die Absorption zunächst ähnlich beschreiben, wie die Absorption von Strömen.

Handelt es sich aber um ein geschlossenes System mit einer Flüssigkeit und einem Gas, so 'strömen' zunächst die Teilchen in die Flüssigkeit, bis die Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit erreicht ist. Dabei handelt es sich dann um ein dynamisches Gleichgewicht, d.h. der Teilchenstrom in die Flüssigkeit ist genauso groß wie der Teilchenstrom in die Gasphase.

Die Absorptionsrate ${\dot {N}}$ hängt hier hauptsächlich von der Menge eingelagerten Gases $N_{a}bs$ in der Flüssigkeit ab:

${\dot {N}}\approx {\frac {N_{a}bs}{L}}$

wobei L die Löslichkeit ist (hier als absolute Menge).

Akustik

Einfallende Schallwellen, die auf Oberflächen treffen, die aus absorptiven Material sind, werden nur geringe oder keine reflektierte Schallenergie zur Folge haben. Die absorbierte Schallenergie führt zu einer Erhöhung der Gitterenergie des absorbierenden Materials. Lautheit und Halligkeit werden reduziert, aber eine starke Behandlung nur mit Absoptionsmaterial macht den Raumklang dröhnend und unklar. Übermäßige Anwendung von Absorption erzeugt einen Mangel an reflektierenden Oberflächen, der zu einem Verlust der Obertöne führt und damit die natürliche Helligkeit des Klangs beseitigt. Nur die Ausgeglichenheit zwischen Absorption (Schalldämpfung) und Diffusität (Schallzerstreuung) kann der Schlüssel zu einer optimierten Raumakustik sein. Die Messung der Absorption an Planwaren, bzw. Bauteilen erfolgt in der Praxis in einer sogenannten Alphakabine.

Siehe auch:

• Reflexion | Diffusität | Absorptionsfaktor |

Optik

In der Optik wird von Absorption gesprochen, wenn ein Teil des Lichtspektrums gefiltert wird. Wird beispielsweise eine gelbe Oberfläche mit (weißem) Tageslicht bestrahlt, so wird nur ein Teil des Lichtes reflektiert (bzw. bei transparenten Materialen transmittiert) und ein Teil absorbiert - man spricht auch von Remission. Dabei handelt es sich im Beispiel um den Spektralbereich der Lichtfarben (additive Farbmischung), der nicht im gelben Farbanteil enthalten ist. Dieser Effekt wird u. a. für Farbfilter ausgenutzt.

Photonen bestimmter Energie regen dabei Atome oder Moleküle an, die ein Niveauunterschied mit genau dieser Energie in der Elektonenhülle besitzen. Die Menge der absorbierten Photonen hängt dabei nach dem Lambert-Beerschen Gesetz von der Schichtdicke des Materials ab.

Siehe auch:

• Absorptionsbande

Radioaktivität

Die Absorption von &gamma-Strahlung in Materie erfolgt durch verschiedene Mechanismen (siehe Radioaktivität) und kann durch das allgemeine Lambert-Beer-Gesetz beschrieben werden. Der Abschwächungskoeffizient wird durch die Halbwertsdicke gekennzeichnet, die neben der Art der Strahlung wesentlich von der Energie und dem Absorber abhängt.

Fernerkundung

In der Fernerkundung bezieht sich der Ausdruck auf das Aufnehmen von elektromagnetischer Energie durch Material der Atmosphäre oder der Oberfläche. So kann vorübergehend Energie gebündelt werden. Variation der Absorptionszusammenhänge/-muster hilft, zwischen verschiedenen Materialien zu unterscheiden. Absorption ist also im Normalfall selektiv. Der Quotient aus absorbierter und gesamter, ausfallender Strahlungsenergie wird als Absorptionskoeffizient bezeichnet. Vom Verhältnis der absorbierten zu den reflektierten Wellenlängen wird das bestimmt, was unser Auge als Farbe eines Körpers empfindet. Ein Gegenstand, der alle auftreffende Strahlung absorbiert, wird als Schwarzer Körper bezeichnet.

Die Absorption wirkt sich beim Passieren der Strahlen eines Körpers dadurch aus, dass im Energiespektrum der auftreffenden Strahlung, einige Spektralbereiche sehr stark geschwächt sind oder ganz ausfallen Absorptionsbanden. In der Atmosphäre werden solche Banden verursacht vom Ozon, Kohlendioxyd und vom Wasserdampf.

Absorption von Gasen

Als Absorption von Gasen bezeichnet man das Eindringen von Gasen oder Gasgemischen in eine Flüssigkeit oder einen festen Stoff. Dieser wird Absorptionsmittel (oder Absorbens), das aufgenommene Gas wird Absorbat genannt.

Das Gas wird bei gegebener Temperatur im Absorptionsmittel gelöst, wobei Wärme (Absorptionswärme oder Lösungswärme) entsteht. Wenn bei der Lösung der Gase auch chemische Reaktionen stattfinden, so wird der Gleichgewichtszustand durch das Massenwirkungsgesetz bestimmt.

Finden bei der Lösung der Gase keine chemischen Reaktionen statt, so gilt für Flüssigkeiten bei niedrigem Druck näherungsweise das Henrysche Gesetz: Bei gegebener Temperatur ist die Konzentration c eines Gases proportional seinem Druck p über der Flüssigkeit ist: c = k*p; hierbei ist k der Absorptionskoeffizient, der von der Temperatur und den beteiligten Stoffen abhängt.

Sind mehrere Gase an der Absorption beteiligt, so werden sie unabhängig voneinander gemäß ihrem jeweiligen Partialdruck p_x in der Gasphase gelöst: c_x = k_x * p_x (Henry-Daltonscher Verteilungssatz).

Sind bei einem Gas mehrere nicht mischbare Flüssigkeiten als Absorptionsmittel beteiligt, so ist das Verhältnis der Konzentrationen unabhängig von der Menge des gelösten Stoffes und der Flüssigkeiten und hängt nur von der Temperatur und den Stoffen ab (Nernstscher Verteilungssatz).

Die Absorption von Gasen in Flüssigkeiten wird in der Kältetechnik für Absorptionskühlgeräte verwendet.

Absorption von Schwebstoffen

Bei der Absorption von Schwebstoffen oder Gasen durch einen Filter werden aus einem Luftstrom die jeweiligen Schwebstoffe von einem feinmaschigen Netz. Werden diese durch eine reaktive Oberfläche (Aktivkohle) fest gebunden, so spricht man hingegen von Adsorption.

Das Maß der Absorption hängt hier von der Rückhaltefähigkeit und Aufnahmefähigkeit ab. Bei mechanischen Filter steigt die Rückhaltefähigkeit mit der Belegung, da die Schwebstoffe langsam die feinden Poren des Filters zusetzen. Dabei nimmt aber der Luftwiderstand des Filters zu.

Für chemische Filter gilt es umgekehrt: Je stärker der Filter belegt ist, desto geringer ist die Rückhaltefähigkeit.

Dabei ist es prinzipiell egal, ob das Trägermedium Luft oder eine Flüssigkeit ist.

Siehe auch:

• Absorber | Resorption | Resonanzabsorption | Sorption | Absorptionsfaktor |

Weblinks

• Interaktive Darstellung von Absorption, Emission und der stimulierten Emission