Dargestellt in Abbildung 2 ist das Ergebnis unserer Messung. Man sieht markante Absorptionsbanden an vier Stellen des Raumluft-Spektrums, die mit dem Spektrum der gefilterten Luft nicht übereinstimmen.

Durch diese vier Absorptionslinien konnten wir auf die Stoffe in der Raumluft schließen, wobei zweiatomige Moleküle nicht in Frage kommen. Da diese nur lineare Streckschwingungen vollziehen können, und sich dabei das Dipolmoment des Moleküls nicht ändert. Diese Änderung des Dipolmomentes ist aber eine notwendige Voraussetzung um ein Photon zu emittieren sofern sich nicht der elektronische Zustand ändert.

Staub- oder Schmutzpartikel kamen auch nicht in Frage, da diese höchstens die gesamte Intensität des Spektrums herabsetzen würden. So blieben uns als verdächtige Molekühle nur noch die Bestandteile der Luft, welche in ausreichenden Konzentrationen vorhanden sind und mehr als 2 Atome besitzen. Die einzigen auf die diese Beschreibung zutraf waren nur noch CO2 und H2O.

In Abbildung 3 ist der logarithmische Quotient zwischen den beiden Spektren dargestellt. Hier kann man die vier Absorptionsbanden deutlich erkennen.

wobei a die Anzahl der Freiheitsgrade und n die Anzahl der Atome ist. Das lässt sich damit erklären, dass jedes Atom 3 Freiheitsgrade besitzt, jedoch die 3 Freiheitsgrade des Massenschwerpunktes (Translation) und die 3 Rotationsfreiheitsgrade des Moleküls keine Schwingunsfreiheitsgrade darstellen und somit wieder abgezogen werden müssen.

Lineare Moleküle sind entlang ihrer Achse rotationsinvariant also ist ein Rotationsfreiheitsgrad des Moleküls entartet. Also gilt für diese:

Wir mussten also für beide Moleküle jeweils 3 Schwingungsbewegungen finden. Deren Energie einerseits von den beteiligten Massen und andererseits von den Rückstellmomenten der Bindungen abhängt. Dabei liegen Biegeschwingungen energetisch tiefer als Streckschwingungen.

Noch tiefer liegen Torsionsschwingungen, welche allerdings im IR nicht sichtbar sind, noch für diese beiden Molekül relevant sind. Die Funktion eines harmonischen Oszillators, welchen Molekülschwingungen darstellen, lässt sich veranschaulichen mit

Die Energie der Schwingung ist abhängig von der Winkelgeschwindigkeit! Woraus folgt, dass man die Energie einer Schwingungsmöglichkeit, bei vorhandenen Informationen über Masse und Bindungsart qualitativ recht einfach abschätzen kann:

Auf diese Weise ist es möglich die Banden im gemessenen Spektrum zuordnen.

Abbildung 4: Schwingungsmöglichkeiten eines H2O und eines CO2 Moleküls

Zuordnung der Banden

Das CO2-Molekül ist linear und daher apolar, wie in Abbildung 4 dargestellt wird. Es existiert eine symmetrische (A), eine asymmetrische Streckschwingung (B), und eine symmetrische Biegeschwingung (C). Die asymmetrische Biegung stellt nur

Rotation um den Schwerpunkt dar und ist daher keine Schwingung. So bleiben uns also zwei Streckschwingungen und zwei entartete Biegeschwingungen. Die Symmetrische Streckschwingung ändert das Dipolmoment des Moleküls nicht und besitzt daher keine Absorptionslinie.

Also bleiben uns beim CO2-Molekül zwei Schwingungsmöglichkeiten übrig: die asymmetrische Streckschwingung (B) und die symmetrische Biegeschwingung (C), wobei die Bande der Streckschwingung deutlich höher liegen muss, da diese Schwingung energetisch höher liegt, was auf das höhere Rückstellmoments bei Dehnung zurückzuführen ist.

Das H2O-Molekül ist gewinkelt und daher polar, siehe Abbildung 4. Auch hier kommen aus den bereits erwähnten Gründen die gleichen Schwingungsmöglichkeiten in Frage, jedoch mit dem Unterschied, dass es keinen

entarteten Freiheitsgrad gibt. Auch hier muss die Streckschwingung eine deutlich

höher liegende Bande erzeugen als die Biegeschwingung.

Anhand dieser Indizien kann man die Moleküle nun relativ zueinander durch die Polaritäten unterscheiden.