Das Spektroskop (die Fraunhofer'sche Linse)

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Das Spektroskop (die Fraunhofer'sche Linse)
Joseph von Fraunhofer war ein deutscher Optiker und Physiker. Er begründete am Anfang
des 19. Jahrhunderts den wissenschaftlichen Fernrohrbau. Ein Objektivtyp, das
Fraunhofer-Objektiv, wurde nach ihm benannt. Seine hervorragendste Leistung besteht in
der Verbindung von exakter wissenschaftlicher Arbeit und deren praktischen Anwendung
für neue innovative Produkte
Ein Spektroskop ist ein optisches Gerät, mit
dem Licht in sein Spektrum zerlegt wird und
visuell untersucht werden kann.
Das Spektroskop ist das wichtigste Werkzeug
des modernen Gemmologen. Ein Handspektroskop
für das sichtbare Licht zeigt Ihnen die
Absorptionslinien der farbgebenden Elemente
im Edelstein. Dies hilft Ihnen z. Bsp. zu unterscheiden
zwischen Rubin (Chrom) und rotem
oder rosa Saphir (Eisen).
Handspektroskop
Joseph von Fraunhofer
(* 6. März 1787 in Straubing; † 7. Juni 1826 in München)
Spektroskop der Fa. Eickhorst
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Die Farben
Weißes Licht setzt sich aus den Spektralfarben zusammen.
Fällt weißes Licht durch ein Prisma wird es nicht nur gebrochen, sondern in seine Bestandteile,
d.h. die Spektralfarben, zerlegt. Das liegt daran, dass der Brechungsindex für jede
Spektralfarbe ein anderer ist und sie daher verschieden stark gebrochen werden. Violettes
Licht wird am stärksten abgelenkt, rotes Licht am wenigsten.
Umgekehrt würde, wenn man
alle Spektralfarben mischt,
wieder weißes Licht entstehen.
Ein Regenbogen
entsteht durch die
Brechung des weißen
Sonnenlichtes
in den Regentropfen.
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Eine wichtige Anwendung der Aufspaltung von Licht in seine Bestandteile ist die Spektralanalyse.
Jeder Stoff sendet, wenn er verbrennt, ein charakteristisches Licht aus. Wenn
man es mit einem Prisma aufspaltet, entsteht ein Linienspektrum. Mit seiner Hilfe kann
man den Stoff identifizieren. So erfährt man z.B. durch Spektralanalyse des Lichtes eines
Sterns, aus welchen Stoffen er besteht. Ein Gegenstand erhält seine Farbe dadurch, dass
er bestimmte Farben absorbiert, andere reflektiert. Wir sehen nur die reflektierten Farben.
Zu Übungszwecken können Sie neben Edelsteinen auch Flüssigkeiten und Flammen welche
durch Metallsalze gefärbt werden untersuchen.
Das Spektroskop ist fokussierbar. Dies ist wichtig da es bei diesem Gerätetyp nicht möglich
ist die gesamte Länge der Skala scharf abzubilden. Sie können wählen zwischen einem
Spektroskop ohne oder mit Wellenlängenskala. Die Wellenlängenskala wird mit Hilfe der
gelben D-Linie des Natriums 589.3 nm eingestellt. Aus den Wellenlängen der Absorptionslinien
können Sie die zugehörigen Elemente ablesen.
Handspektroskop mit Wellenlängenskala
Die Fraunhofer'schen Linien
Fraunhofer entdeckte, dass das Sonnenlicht durch ein Prisma nicht nur in seine Spektralfarben
auf gespalten wird, sondern dass auch eine Anzahl dunkler Linien zwischen den
Farben zu erkennen sind. Er fand heraus, dass man mit Hilfe dieser Linien die Lichtbrechung
der Glassorte jeweils an den entsprechenden Stellen messen kann. Diese schwarzen
Linien wurden nach ihm benannt: die Fraunhofer'schen Linien.
Bild oben:
Kontinuierliches Spektrum einer Glühlampe. Feste und flüssige Körper senden ein zusammenhängendes,
so genanntes kontinuierliches Spektrum aus. (Es gibt keine Linien)
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Spektroskopie ist eine Gruppe von Beobachtungsverfahren, die anhand des Spektrums
(Farbzerlegung) von Lichtquellen untersuchen, wie elektromagnetische Strahlung und Materie
in Wechselwirkung stehen.
Sie sind wichtige Analysemethoden der Physik, Chemie und Astronomie und gehen auf
eine 1859 von Kirchhoff und Bunsen gemachte Entdeckung zurück, dass verschiedene
chemische Elemente die Flamme eines Gasbrenners auf charakteristische Weise färben.
Zuvor hatte bereits Joseph von Fraunhofer 1814 im Spektrum der Sonne auftretende dunkle
Linien untersucht, ohne allerdings ihren Ursprung erklären zu können. Die Untersuchung
der Lichtemission bzw -absorption von Molekülen und Atomen mit Hilfe von Gitter- und
Prismenspektrometern sind die ältesten spektroskopischen Verfahren. Sie werden daher
auch als Klassische Spektroskopie bezeichnet. Viele der grundlegenden Untersuchungen
über den Aufbau des Atoms wurden erst durch die Entwicklung und Anwendung hochauflösender
Gitter- und Prismenspektrometer möglich.
Das Spektrum (lat. spectrum = Erscheinung in der Einbildung) ist ein Farbband, das die im
weißen Licht vereinigten Farben (Spektralfarben) nach Brechung oder Beugung nebeneinander
ausbreitet (rot-orange-gelb-grün-blau-violett). Jede dieser Farben entspricht einer
bestimmten Wellenlänge: von Rot (ca. 0,76 u (u = Gamma)) bis Violett (ca. 0,4 u) abnehmend.
Farbige Flammen, Funkenentladungen in einem Gas unter vermindertem Druck
zeigen keine zusammenhängenden, kontinuierlichen Spektren, sondern nur farbige Linien
und Bänder, die zum Erkennen des Elementes dienen (Spektroskopie). Durch diese
sind viele Elemente entdeckt worden.
'Die einzelnen Spektralfarben entsprechen einer bestimmten Wellenlänge von Rot mit ca.
700 nm bis Violett mit ca. 400 nm.
Bei verschiedenen Mineralarten gibt es Steine, deren Farbe fast dieselbe ist und deren physikalische
Eigenschaften keine sichtbaren Unterschiede zeigen. Am Beispiel von rotem
Spinell und Granat sieht man, dass unter Umständen eine Unterscheidung nur noch
spektroskopisch möglich ist. Aber auch Steine, deren Lichtbrechung höher liegt als der
Refraktometermessbereich, zeigen teilweise diagnostische Spektren wie z.B. der Zirkon.
Beim Diamant ist die Spektroskopie kaum wegzudenken. Oft wird jedoch für eine Laboreinrichtung,
das sogenannte Spektralphotometer nötig sein, um feststellen zu können, ob
es sich um einen behandelten oder natürlich farbigen Diamanten handelt.
Absorption:
Die Absorption (lat. absorbere = verschlingen) des Lichtes ist eine Schwächung der Lichtintensität
beim Übertritt aus einem opt. Medium in ein anderes. Minerale mit geringer Absorption
sind durchsichtig, mit starker Absorption undurchsichtig. Die Absorption ist von der
Wellenlänge abhängig. Werden einzelne Wellenlängen stärker oder ganz absorbiert,
so entstehen Färbungen, die den nicht absorbierten Wellenlängen entsprechen. Bei annähernd
gleicher Absorption aller Wellenlängen erscheint ein Mineral weiß
Absorptionsspektrum:
Das Absorptionsspektrum ist das durch Absorption des weißen Lichtes in einem farbigen
Körper veränderte Spektrum; es ist für viele Schmuck- und Edelsteine sehr charakteristisch und
wird zu deren Bestimmung und Kontrolle verwendet.
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Absorptionsbanden:
Die Absorptionsbanden sind, oft neben Absorptionslinien, als schwarze Lücken im Spektrum
anzutreffen. Diese sind im selben Stein immer wieder anzutreffen und haben darum
eine diagnostische Bedeutung. Absorptionslinien sind dunkle Linien, die senkrecht zum
kontinuierlichen Spektrum stehen und anzeigen, dass deren Wellenlängen im Spektrum
fehlen; sie werden nach dem Entdecker als „Fraunhofer'sche Linien" bezeichnet.
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Einige Beispiele von Spektren:
SPEKTROSKOPISCHES VERHALTEN VON
NATÜRLICHEN UND SYNTHETISCHEN SPINELLEN
NATÜRLICHER SPINELL
Roter Spinell
Blauer Spinell
Grünblau
Blauer Spinell
(Kobaltspinell)
685, 684,
675, 665,
656, 650,
642, 632,
(595-490)
465, 455
nm
640-623,
598-558,
550, 478
464-456
nm
(635), (585),
(508), (478),
(464-456)
nm
635, (628),
587, (583),
555, (549),
508, (481),
478, 451,
(443), (433)
nm
SYNTHETISCHER VERNEUIL- SPINELL UND FLUSSMITTELVERFAHREN
Synth. blauer
Kobalt-Spinell
(Verneuil)
635, 580 und
540 nm
Flussmittelverfahren
Synthetischer
grüner Spinell in
Turmalinfarbe
Mn-dotiert
(Verneuil)
440 428
nm
Synthetischer
Roter-
Spinell
(Douros)
686, 675
nm
Grafik Spektren aus: Tables of Gemstone identification, ROGER DEDEYNE und IVO QUINTENS 2007
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