Optische Spektroskopie

Die optische Spektroskopie beschäftigt sich mit der Aufspaltung von Licht in unterschiedliche Farben. Es ist ja heute allgemein bekannt, dass sich weißes Licht (z.B. Sonnenlicht) aus allen Farben zusammensetzt. Im Regenbogen sieht man, wie Wassertropfen am Himmel das Licht in seine Bestandteile zerlegen. Solch eine Zerlegung ist auch mit einem Glasprisma, oder mit einem sogenannten Beugungsgitter möglich. Das bunte Zerlegungsbild, das man dabei erhält, nennt man Spektrum

Schon Isaak Newton und Johann Wolfgang von Goethe beschäftigten sich im 18. Jahrhundert intensiv mit der Erzeugung farbiger Erscheinungen mit Hilfe von Prismen und Linsen. Beide stellten ihre eigenen Lichttheorien auf. Newton fand dabei heraus, dass weißes Licht ein Germisch aus den Farben des Regenbogens ist. Mit einem Prisma konnte er Sonnenlicht in die Spektralfarben zerlegen. Das Sonnenlicht enthält zudem auch Strahlung, die für das Auge unsichtbar sind. Man nennt die sehr energiereiche Strahlung Ultraviolett (UV) und die energiearme Strahlung Infrarot (IR). Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelten der Chemiker R. W. Bunsen und der Physiker G. R. Kirchhoff die Spektralanalyse als wissenschaftliche Methode.

Kirchhoff fand dabei, dass es im Spekrum der Sonne schwarze Linien gibt. Die Strahlung der Sonne kann gut mit der Theorie der schwarzen Strahler als Wärmestrahlung erklärt werden. Wärmestrahlung ist aber kontinuierlich, die schwarzen Linien im Sonnenspektrum müssen also darauf zurückzuführen sein, dass Atome in der Sonnen- oder Erdatmosphäre bestimmte Farben des Lichtes aufgenommen (absorpiert) haben.

Hält man ein Metall in eine heiße Flamme, so kann man eine Flammenfärbung beobachten die für dieses Metall typisch ist. Bunsen fand heraus, dass diese Flammenfärbung mit einem Prisma in dünne Linien zerlegt werden kann. Die Metallatome strahlen also keine reine Wärmestrahlung ab, sondern erzeugen zusätzlich sehr helle, schmale Linien im Lichtspektrum. Dabei leuchtet Natrium immer sehr stark Gelb mit ein paar roten Nebenlinien. Rubidium dagegen, das von Bunsen bei der Spektralanalye neu entdeckt wurde, hat sehr viele, ähnlich helle Linien.

Die beobachteten Spektrallinien sind für jedes chemische Element so typisch, wie ein Fingerabdruck. Man kann die Elemente also mit der Spektroskopie identifizieren. Die Farben, die ein Element in einer Flamme abstrahlt, sind dabei identisch mit denen die das Element, wenn es durchleuchtet wird, absorbiert. Optische Spektroskopie ermöglicht es damit, die Zusammensetzng glühender Körper zu zu analysieren, d.h. die enthaltenen Elemente zu bestimmen. Auf diese Weise können Astronomen die Zusammensetzung unserer Sonne, fremder Sterne und auch die von kosmischen Staubwolken, die Licht absorbieren, messen. Umweltanalytiker können die Zusammensetzung von Rauchwolken optisch vermessen, ohne eine Probe nehmen zu müssen.

Die beobachteten spektralen Linien der Elemente führten Bohr zu der Quantisierungsannahme in seinem Atommodell. Damit gelang es ihm, die Linien vom einfachsten Element, dem Wasserstoff, zu berechnen. Für kompliziertere Elemente funktionierte sein Modell dagegen nicht. Um diese zu berechnen ist die Anwendung der Quantenmechanik notwendig.

 

Letzte Änderung: 17.01.2002