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- 5.6 Licht und Farben
- 5.6.1 Spektren und Spektralanalyse
- Spektren und Spektralanalyse
Spektren und Spektralanalyse
Was ist ein Spektrum?
Unter einem Spektrum (Plural: Spektren) versteht man in der Optik ein Farbband und damit ein Band, das aus Licht unterschiedlicher Wellenlängen bzw. Frequenzen besteht. Bild 1 zeigt ein kontinuierliches Spektrum mit den sechs Spektralfarben und den Wellenlängen. An den sichtbaren Bereich schließen sich das für den Menschen nicht sichtbare infrarote und ultraviolette Licht an.
Kontinuierliches Spektrum mit den Wellenlängern in Nanometern
Erzeugung von Spektren
Für die Erzeugung von Spektren gibt es zwei prinzipielle Möglichkeiten: Man kann ein Spektrum mithilfe eines Prismas oder mithilfe eines optischen Gitters erzeugen.
Trifft von einer Lichtquelle kommendes weißes Licht auf ein Prisma, so wird es gebrochen. Dabei werden die kurzwelligen Anteile (blaues Licht) stärker gebrochen als die langwelligen Anteile (rotes Licht). Dadurch kommt es zu einer Auffächerung des Lichtes unterschiedlicher Wellenlänge. Es entsteht ein Spektrum, das auch als Prismenspektrum bezeichnet wird.
Erzeugung eines Prismenspektrums: Es wird die Dispersion genutzt.
Verwendet man anstelle eines Prismas ein optisches Gitter, so tritt an diesem Gitter Beugung auf. Das gebeugte Licht überlagert sich, wobei die Lage der Interferenzmaxima auf einem Schirm von der Wellenlänge abhängig ist. Es entstehen farbige Interferenzstreifen, die in ihrer Gesamtheit jeweils ein Spektrum bilden, das auch als Gitterspektrum bezeichnet wird.
Ein Prismenspektrum und ein Gitterspektrum unterscheiden sich lediglich in der Abfolge der Farben. Bei Verwendung von weißem Licht kann man in beiden Fällen ein kontinuierliches Spektrum beobachten. Wie breit das Spektrum jeweils ist, hängt von den gegebenen Bedingungen ab.
Kontinuierliche Spektren und Linienspektren
Ob durch Zerlegung von Licht ein kontinuierliches Spektrum oder ein Linienspektrum entsteht, hängt nur von der Lichtquelle ab, von der das betrachtete Licht ausgeht.
Ein kontinuierliches Spektrum entsteht dann, wenn das Licht von glühenden festen Körpern, Flüssigkeiten oder Gasen unter hohem Druck ausgeht. So liefert z. B. das Licht einer Glühlampe ein kontinuierliches Spektrum. Ebenso liefert das von der Sonnenoberfläche oder von anderen Sternen ausgehende Licht ein kontinuierliches Spektrum.
Ein Linienspektrum entsteht dann, wenn das Licht von heißen Gasen unter geringem Druck ausgeht, also z. B. von Leuchtstoffröhren oder Quecksilberdampflampen. Die Linienspektren verschiedener leuchtender Gase unterscheiden sich deutlich voneinander. Jedes Gas sendet ein ganz charakteristisches Spektrum aus. Damit gilt umgekehrt: Kennt man das Spektrum einer Lichtquelle, dann kann man daraus schließen, welche Stoffe sich in dieser Lichtquelle befinden. Das ist das Wesen der Spektralanalyse (s. unten).
Erzeugung eines Gitterspektrums: Die Ablenkung hängt von der Wellenlänge ab.
Prismenspektrum (a) und Gitterspektrum (b) von weißem Licht im Vergleich
Emissionsspektren und Absorptionsspektren
Ein Spektrum, die allein durch das Licht entstehen, das von einer Lichtquelle ausgesendet (emittiert) wird, nennt man Emissionsspektrum. Solche Emissionsspektren können kontinuierliche Spektren oder Linienspektren sein. Was für ein Spektrum entsteht, hängt von der jeweiligen Lichtquelle ab.
Befindet sich zwischen einer Lichtquelle, die ein kontinuierliches Spektrum aussendet, und dem Prisma oder dem Gitter ein Stoff, z.B. Natriumdampf, dann entsteht eine andere Art von Spektrum. Von dem durchstrahlten Körper werden genau die Teile des Spektrums absorbiert (aufgenommen), die er selbst ausenden würde, wenn er leuchtet.
Wenn z. B. Natriumdampf leuchtet, sendet er vorrangig gelbes Licht aus. Wenn dagegen weißes Licht durch nicht leuchtenden Natriumdampf hindurchgeht, werden genau diese Teile des Spektrums absorbiert. An den betreffenden Stellen erscheinen also schwarze Linien. Da diese schwarzen Linien durch Absorption zustande kommen, bezeichnet man das entstehende Spektrum als Absorptionsspektrum.
Entstehung eines Absorptionsspektrums von Natrium
Fraunhofersche Linien
Der deutsche Optiker und Glasmacher JOSEPH VON FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckte bei seinen Untersuchungen, dass es im Spektrum von Sonnenlicht zahlreiche dunkle Linien gibt. Sie werden nach ihrem Entdecker als fraunhofersche Linien bezeichnet. Ähnliche Linien findet man auch bei der spektralen Zerlegung des Lichts anderer Sterne.
Die Ursache dafür besteht in Folgendem: Die Sonne und andere Sterne senden ein kontinuierliches Spektrum aus. Dieses Licht geht aber durch kühlere Gasschichten hindurch, die sich um die Sonne oder andere Sterne herum befinden. Dadurch werden genau die Linien absorbiert, die diese kühleren Gase aussenden würden, wenn sie selbst leuchten. Die Linien eines Absorptionsspektrums können ebenso wie die eines Emissionsspektrums genutzt werden, um auf die Stoffe zu schließen, die sich in der Umgebung der Lichtquelle oder in der Lichtquelle selbst befinden.
Die Spektralanalyse
Entwickelt wurde die Spektralanalyse um 1860 gemeinsam von dem deutschen Physiker GUSTAV ROBERT KIRCHHOFF (1834-1887) und dem Chemiker ROBERT WILHELM BUNSEN (1811-1899). Ihr Wesen besteht in Folgendem: Wenn bei jedem Element ein charakteristisches Emissions-Linienspektrum bzw. ein entsprechendes Absorptions-Linienspektrum auftritt, kann man auch umgekehrt folgern: Wenn ein bestimmtes Linienspektrum beobachtet wird, dann ist in der Lichtquelle oder auf dem Weg von der Lichtquelle zur Untersuchungsapparatur das betreffende Element vorhanden. Man kann also formulieren:
Unter Spektralanalyse versteht man eine Untersuchungsmethode, bei der man aus einer Untersuchung des Spektrums darauf schließen kann, welche Stoffe am Zustandekommen des Spektrums beteiligt waren.
Spektralanalysen werden mithilfe von Spektralapparaten durchgeführt. Je nach der Art und Weise, wie das Licht in seine Bestandteile zerlegt wird, unterscheidet man zwischen Prismenspektroskopen und Gitterspektroskopen. Die entsprechenden Anordnungen bezeichnet man auch als Prismenspektrometer bzw. als Gitterspektrometer.
Das Licht, das untersucht werden soll, wird durch einen Spalt auf ein Prisma oder ein Gitter gelenkt und dort in seine Bestandteile zerlegt. Dann können die Spektrallinien ausgemessen werden. Aus ihrer Wellenlänge kann man ermitteln, welchen Stoffen sie zuzuordnen sind.
In der nachfolgenden Übersicht sind für einige Stoffe ausgewählte Spektrallinien des sichtbaren Bereiches mit ihren Wellenlängen angegeben.
| Element | Wellenlänge von Spektrallinien in Nanometern |
Argon | 404,44 420,01 425,94 434,81 |
Helium | 447,15 471,32 501,57 667,82 706,52 |
| Natrium | 588,995 589,592 |
| Neon | 503,78 520,39 588,19 638,30 703,24 |
| Quecksilber | 404,66 435,88 491,61 546,01 578,97 579,01 623,44 |
Es ist erkennbar: Die Messungen müssen sehr genau sein, um eindeutig eine Zuordnung zwischen den gemessenen Wellenlängen und den betreffenden Stoffen vornehmen zu können.
Nutzung spektralanalytischer Untersuchungen
Mithilfe der Spektralanalyse können Stoffproben auf ihre Zusammensetzung untersucht werden. Dazu reichen schon relativ kleine Mengen aus.
Die Spektralanalyse kann auch zur Entdeckung neuer Stoffe führen. So gelang es kurz nach der Entwicklung der Spektralanalyse durch KIRCHHOFF und BUNSEN, 10 neue Elemente zu finden, die bis dahin noch nicht bekannt waren.
Eines der Elemente, das die Chemiker durch spektralanalytische Untersuchungen entdeckten, war ein Gas, das nach dem griechischen Wort für Sonne (helios) benannt wurde, weil man es 1868 erstmals im Sonnenspektrum nachweisen konnte. Dieses Gas, das Helium, wurde dann mehr als 25 Jahre später, im Jahr 1894, auch auf der Erde nachgewiesen.
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