Lichtspektrum

Lichtspektrum der Sonne

Aufspaltung von weißem Licht in das sichtbare Lichtspektrum mit Hilfe eines Prismas.

© neo SCI

Jedes Material Atom/Molekül besitzt Energieniveaus, auf denen sich seine Elektronen aufhalten können. Der Übergang von einem auf ein anderes Energieniveau erfolgt durch Aufnahme oder Abgabe eines Photons mit der Energie E=h*ν. Die Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus entspricht genau der Energie des Photons, und damit der Wellenlänge
λ = c/ν. 1

Emissionsspektrum

Elektronen in den äusseren Schalen haben eine höhere potentielle Energie als die der inneren Schalen. Durch Zufuhr von Energie heben wir ein Elektron in ein höheres Energieniveau und bringen das Atom dadurch in einen angeregten Zustand. Dieser Zustand ist allerdings nicht stabil und schon nach rund 10E-8 Sekunden wechselt das Elektron wieder in den Grundzustand zurück. Die dabei freiwerdende Energie wird in Form von Strahlung abgegeben. Die Frequenz der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung ist proportional zur Differenz der Energieniveaus – Emissionsspektrum.

Absorptionsspektrum

Von der Lichtquelle kommend werden alle Frequenzen bzw. Energien des kontinuierlichen Spektrums angeboten. Das betrachtete Atom kann jedoch nur die Energien aufnehmen, die durch die vorgegebenen Energieniveaus des Atoms bestimmt sind. Diese Energien werden dann vom Atom wieder abgegeben. Somit sollten alle Frequenzen wieder auftreten und die Absorptionslinien verschwinden.

Wenn man dieses Material von der Seite, das heißt ohne dass die Strahlungsquelle sichtbar ist, beobachtet, erscheinen diese Photonen einer bestimmten Wellenlänge als Emissionslinien im Spektrum. 1

Absorptionsspektrum

Die schwarzen Linien entsprechen den Energieniveaus des Natriumdampfs.

© Sternspektren

Grund dafür ist, dass die Reemission der Photonen nicht in die gleiche Richtung erfolgt in der eingestrahlt wird, sondern statistisch verteilt ist. Somit wird nur ein sehr kleiner Bruchteil der reemittierten Strahlung wieder in die ursprüngliche Richtung ausgesandt, man erhält also deutlich verringerte Intensitäten – Absorptionslinien. 2

Linienspektrum

Wenn eine Lichtquelle nur Licht diskreter Wellenlängen emittiert, spricht man von einem Linienspektrum. Das Licht entsteht durch eine Reihe von spezifischen Übergängen zwischen Energiezuständen von Atomen(selten von Molekülen). Die daraus resultierenden Emissionsbereiche werden als Spektrallinien bezeichnet. 3

Bandenspektrum

Molekülspektren sind wesentlich komplexer als Atomspektren. Man beobachtet für den Bereich des sichtbaren Lichtes unübersichtliche Liniengruppen, die Banden, oder auch kontinuierliche Spektren, die Bandenspektren. Beim Bandenspektrum handelt es sich um viele, nahe beieinander und/oder überlappende Spektrallinien, die Banden bzw. Absorptionsbanden genannt werden. Sie entstehen durch Energieübergänge in Molekülen.

Für ein Molekül existieren drei Energiestufen mit unterschiedlicher Ursache. Die Elektronen der Moleküle lassen sich wie beim isolierten Atom anregen. Diese Anregung liegt auf der höchsten Energiestufe, sie fällt in den Bereich des sichtbaren bis ultravioletten Lichtes. Die nächst niedrigere Stufe entsteht durch das Schwingen der Moleküle gegeneinander. Die unterste Energiestufe bezieht sich auf eine Änderung der Rotation der Moleküle um den Molekülschwerpunkt. 4

Kontinuierliches Spektrum

Die Anzahl der Energiezustände eines Materials ist sehr groß, allerdings sind nur wenige Paare von Energiezuständen bevorzugte Absorbierer oder Emittierer. 1

Frauenhofer'sche Linien

Auf Grund der Selbstabsorption Schwarzer Strahler entstehen Lücken im Spektrum.

© Spektren von Sternen

Festkörper emittieren ein kontinuierliches Spektrum, wobei die Wellenlänge maximaler Strahlungsintensität temperaturabhängig ist. Derartige Spektren folgen großteils dem Spektrum eines schwarzen Körpers. Auf Grund der Selbstabsorption bei realen Temperaturstrahlern, z.B. die Fraunhoferschen Linien im Sonnenspektrum, existieren Lücken im kontinuierlichen Spektrum.

Ein alltägliches Beispiel sind Leuchtstoffröhren. In diesen wird zuerst ein Linienspektrum erzeugt, welches dann von einem umgebenden Leuchtstoff absorbiert wird. Dieser Leuchtstoff emittiert anschließend in einem weiten Wellenlängenbereich.

Absorptionsspektrum als individueller Fingerabdruck

Da die möglichen Energieniveaus von Atomen oder Molekülen sehr stark von der Struktur, d.h. der inneren Verteilung von Masse und elektrischer Ladung abhängen, gleicht ein Emissions- oder Absorptionsspektrum einem individuellen Fingerabdruck. Man erhält also aus den wellenlängenabhängigen Absorptions- und Emissionsspektren, die Zusammensetzung und Struktur eines Stoffes. Dies ist das Prinzip der Spektralanalyse, die sehr unterschiedlichen Zwecken dient, wie z.B. der Analyse von Blutproben, der Klassifizierung von Sternen oder der experimentellen Überprüfung fundamentaler Naturgesetze.