Grundlagen der elementanalytischen Sternspektroskopie - FG ...

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Im Jahre 1918 führten Studien der Emissionsspektren von kosmischen Nebeln zu der
Entdeckung bisher unbekannter Spektrallinien. Diese konnten nicht in Laborversuchen
reproduziert werden, weshalb man annahm, dass die fragwürdigen Linien von einem bisher
nicht entdeckten Element stammen könnten. Das Element taufte man auf den Namen
Nebulium. Besonders zwei der Linien waren aufgrund ihrer ausgeprägten Stärke auffallend.
Zehn Jahre später fand Ira Bowen (1898-1973) die wahre Erklärung für ihr Auftreten. Sie
erkannte, dass die Gasdichte in Emissionsnebeln so gering ist, dass sich Atome und Ionen dort
zwischen 10 und 10000s ungestört im Raum bewegen können, bevor ein Zusammenstoß mit
einem anderen Teilchen erfolgt. Das verschafft Elektronen in Atomen und Ionen genug Zeit,
um von metastabilen Energiezuständen durch sog. verbotene Übergänge in den Grundzustand
zurückzufallen. Wie gelangt ein Elektron in einen metastabilen Zustand? Die Elektronen, die
bei der Ionisation von Wasserstoff frei werden, können durch Stöße Elektronen in anderen
Atomen in höhere Energieniveaus anheben. Das geschieht zum Beispiel bei Elektronen des
zweifach ionisierten Sauerstoffs OIII. Seine Elektronenkonfiguration lautet im Grundzustand
1s²2s²2p². Der Grundzustand ist bereits ein Triplettzustand. Trifft nun ein freies Elektron auf
ein Elektron im Grundzustand des OIII findet eine Impulsübertragung statt. Das freie Elektron
verliert Energie, während das Elektron im Grundzustand in ein anderes Niveau angehoben
wird. Das ist kein Absorptionsprozess bei dem Photonen zur Anregung genutzt werden. Bei
dieser Anregung spielen die Auswahlregeln zunächst eine untergeordnete Rolle, da sie
ausschließlich durch Stoß erfolgte. Das Elektron im Grundzustand wurde nun z.B. auf das 3d-
Orbital angehoben. Dies ist ein metastabiler Zustand, denn das Elektron kann ohne
Verletzung der Auswahlregel Δl = ±1 den Zustand nicht mehr verlassen. Außer durch Stoß
mit einem anderen Teilchen können Elektronen auch durch die Rekombinationskaskade in
metastabile Zustände geraten. In diesen verweilt das Elektron 10-100s, bevor es in einen
tieferen Zustand fällt. Bei einem normalen Übergang liegt die Verweildauer im angeregten
Zustand bei 10 -8 s. Im Fall von OIII kann das Elektron im metastabilen Zustand in die zwei
energiehöchsten Niveaus des Grundzustandes zurückfallen und emittiert dabei zwei Linien im
grünen Licht bei 500,7 und 495,9nm. Im Labor kann man verbotene Linien nicht nachweisen,
denn wir können technisch die geringe Teilchendichte, die notwendig wäre, nicht erzeugen. In
dichterem Gas würden die Elektronen in den metastabilen Zuständen durch Stöße abgeregt
und nicht über die wesentlich unwahrscheinlicheren verbotenen Übergänge. Die Tatsache,
dass solche Übergänge möglich sind und beobachtet werden, schließt ein Verbot direkt aus,
jedoch ergibt sich aus der Schrödingergleichung eine milliardenfach höhere
Wahrscheinlichkeit für erlaubte Übergänge. Verbotene erkennt man in spektroskopischen
Schriften an eckigen Klammern. Korrekterweise muss man für die beiden Übergänge vom d-
Orbital folgende Notationen anwenden: