Warum absorbiert Wasser leicht THz-Strahlung?

Es wird festgestellt, dass Wasser extrem empfindlich auf THz-Strahlung reagiert und große Mengen dieser Strahlung absorbiert, was ein Grund dafür ist, dass Hautmessungen in diesem Frequenzbereich sicher durchgeführt werden können (1) (2) (3)

Aber ich finde keine gute Erklärung, warum das so ist.

Der letzte Link besagt, dass der Grund für die Absorption von THz durch Wasser " auf den Rotationsübergang polarer Wassermoleküle zurückzuführen ist ", aber ich verstehe diese Aussage nicht.

Mein Verständnis:

Die Vibrationen von Wassermolekülen umfassen einen Bereich von Frequenzen im THz-Bereich. Wenn also eine Strahlung einer bestimmten Frequenz auf ein Wassermolekül trifft, das in derselben Frequenz vibriert, bewirkt dies, dass sie die Strahlung "absorbieren".

Dies erklärt immer noch nicht, warum sie die Strahlung absorbieren, und ich verstehe den Grund dafür nicht.

Sie müssten wahrscheinlich die Ebene des „Warums“ klären, die Sie sich wünschen. Eine vernünftige, aber nutzlose Antwort könnte lauten: „Wir können die Wechselwirkung eines H2O-Moleküls mit THz-Photonen mithilfe eines quantenelektrodynamischen Modells modellieren, und es stellt sich heraus, dass es diese Photonen wahrscheinlich absorbiert. Wir würden also erwarten, dass sich ein echtes Wassermolekül so verhält wie Also". Um Pratchett zu paraphrasieren: „Wegen Quanten“. Was würdest du als zufriedenstellende Antwort betrachten – welchen Detailgrad benötigst du? Einfach ausgedrückt gibt es Elektronenzustandsübergänge, die sich mit THz-Photonenenergien überlappen.
Danke für die Hilfe. Ein Verständnis auf Hochschulniveau wäre großartig, ich beginne gerade bald mit meiner Promotion in diesem Bereich und ich weiß, dass aus diesem Grund Hautbildgebung verwendet wird, aber ich verstehe nicht, wie die Wassermoleküle die Strahlung einfach absorbieren können und nicht sein ionisiert und was die Wassermoleküle zu so guten Absorbern macht.
THz-Strahlung ist in dieser Hinsicht nichts Besonderes, ein Wassermolekül auch nicht. Warum kann etwas Licht von einem Molekül absorbiert werden, ohne es zu ionisieren? Wir wissen, dass es passiert und sehr häufig vorkommt: Sonnenlicht ionisiert zum Beispiel Holz nicht :) Sollte Ihnen einen guten Ausgangspunkt geben.

Antworten (1)

Es hört sich so an, als ob Sie versuchen, sich ein Bild davon zu machen, warum es passiert, und nicht so sehr, um die Mathematik durchzugehen.

Stellen Sie sich ein Wassermolekül vor. Es hat die Form eines flachen V. Es vibriert auf jede erdenkliche Weise – die Arme verlängern und verkürzen sich, der Winkel variiert, das Ganze dreht sich um drei Achsen und alle ihre Kombinationen usw. Jede Art von Vibration hat dort eine Resonanzfrequenz kann Energie besonders gut aufnehmen und wieder abstrahlen.

Stellen Sie sich nun ein zweites Molekül vor. Einer der Wasserstoffe befindet sich in der Nähe der Basis des V des ersten, wo sich der Sauerstoff befindet. Einige werden angezogen, weil sie entgegengesetzte Ladungen haben und näher beieinander sind als bei irgendetwas anderem außer den anderen Teilen ihrer eigenen Moleküle. Dies wird als Wasserstoffbindung bezeichnet. Es ist eine schwächere Kraft als die kovalenten Bindungen, aber es ist da. Hin und wieder kommt dieser Wasserstoff nahe genug, dass nicht klar ist, welcher der drei Wasserstoffe kovalent an diesen Sauerstoff gebunden ist. Und dann wird einer von ihnen woanders hingerissen, und es besteht eine Chance von 2/3, dass es einer der anderen ist. Das Wassermolekül hat sich verändert. Wassermoleküle bei Raumtemperatur brechen ständig auf und bilden sich neu wie Millenials in einer Single-Bar.

Jede der anderen Bindungen hat also ihre Resonanzfrequenz. Aber diese Wasserstoffbrückenbindungen variieren zufällig in ihrem Abstand und ihrer Stärke. Sie haben keine einzige Resonanzfrequenz, sie sind überall verschmiert.

Es gibt noch mehr, aber das ist ein Anfang.

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