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 so genannten Beugungsgitter möglich. Das bunte Zerlegungsbild, das man dabei erhält, nennt man Spektrum
Schon Isaac 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 Gemisch aus den Farben des Regenbogens ist. Mit einem Prisma konnte er Sonnenlicht in die Spektralfarben zerlegen. Diese Zerlegung funktioniert, weil Licht in Glas je nach Farbe unterschiedlich schnell ist. Die blauen Anteile wechselwirken stärker mit dem Glas und werden daher stärker abgelenkt als die grünen, gelben und roten Anteile. (Dieses Verhalten von Wellen nennt man Dispersion.)
Das Sonnenlicht enthält neben dem sichtbaren Licht auch Strahlung, die für das Auge unsichtbar ist. Man nennt die sehr energiereiche Strahlung Ultraviolett (UV) und die energiearme Strahlung Infrarot (IR). Infrorotes Licht hat Newton dadurch entdeckt, dass sich auch Flächen jenseits des roten Lichtes erwärmt haben, an denen kein Licht sichtbar war.
1802 fand William Hyde Wollaston (1766-1828), dass es im Spektrum der Sonne schwarze Linien gibt. Diese Linien heißen nach Joseph von Fraunhofer (1787-1826), der sie 1814 unabhängig von Wollaston beschrieb, Fraunhofersche Linien. 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 haben. Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelten der Chemiker R. W. Bunsen und der Physiker G. R. Kirchhoff die Spektralanalyse als wissenschaftliche Methode.
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 nicht nur 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 rote Linien. Die Atome erzeugen in weißem Licht der Sonne genau dort schwarze Linien, wo sie als leuchtende Quellen hell Strahlen. Atome schwächen also genau die Farben am wirkungsvollsten ab, die sie selbst erzeugen können. Die Abschwächung von Licht heißt Absorption, die Erzeugung (Abstrahlung) Emission.
Die beobachteten Spektrallinien sind für jedes chemische Element so typisch, wie ein Fingerabdruck. Man kann die Elemente also mit der Spektroskopie identifizieren. Optische Spektroskopie ermöglicht es damit, die Zusammensetzung glühender Körper zu zu analysieren, das heißt 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. Durch Vermessung des Spektrums von Wärmestrahlung sind sehr genaue berührungslose Temperaturmessungen möglich.
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.
Was haben Spektrallinien und Atommodelle mit der Quantentheorie zu tun?
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Letzte Änderung: 30.01.2008