Vorlesungsskript Physik IV - Walther Meißner Institut - Bayerische ...

82 R. GROSS Kapitel 3: Das Einelektronenatom3.1 Experimentelle Grundlagen3.1.1 SpektralanalyseAtome und Moleküle sind generell in der Lage, durch Emission bzw. Absorption elektromagnetischerWellen Energie auszutauschen. Die zur Emission notwendige Energie kann dabei der inneren Energieeines Körpers entzogen werden. Dies ist z.B. bei einem Temperaturstrahler (glühendes Eisen) der Fall,der sich durch Emission elektromagnetischer Strahlung abkühlt. Werden Leuchterscheinungen durcheine unmittelbare vorangegangene Energieabsorption verursacht, so spricht man von Lumineszenz. Wiein Tabelle 3.1 zusammengestellt ist, wird dabei durch einen Vorsatz die Art der zugeführten Energieangegeben (z.B. Photolumineszenz: Anregung durch Licht).Bezeichnung Art der Anregung BeispielPhotolumineszenz Bestrahlung mit elektromagnetischenLeuchtstoffröhrenWellenKathodolumineszenz Elektronenbeschuss BildröhreIonolumineszenz Ionenbeschuss SzintillationszählerElektrolumineszenz elektrische Entladung Funken-, Bogen, GlimmentladungChemolumineszenz chemische Reaktion VerbrennungsprozesseTribolumineszenz mechanische Beanspruchung, ReibungZerkleinern von ZuckerkristallenBiolumineszenz biologischer Prozess GlühwürmchenTabelle 3.1: Zur Klassifizierung der verschiedenen Arten von Lumineszenz.Als Spektrum einer elektromagnetischen Strahlung bezeichnen wir die Abhängigkeit der Intensität vonder Frequenz bzw. Wellenlänge. Die genaue Untersuchung von Spektren trägt bis heute entscheidend zumVerständnis der Physik von Atomen und Molekülen bei und findet breite Anwendung in der Analytik.Historisch geht die Spektralanalyse auf die Arbeiten von Kirchhoff und Bunsen Mitte des 19. Jahrhundertszurück. Prinzipiell unterscheidet man zwei Methoden. Entweder man betrachtet das Absorptionsoderdas Emissionsspektrum. 1 Bei der Emissionsspektroskopie muss das zu untersuchende Atom zumLeuchten angeregt werden, was z.B. durch die Einstrahlung von weißem Licht, durch Elektronenstößeoder andere Mechanismen erreicht werden kann. Strahlt das System Licht genau der Frequenz aus, die esabsorbiert, so spricht man von Resonanzfluoreszenz. Die alternative Methode besteht in der Bestimmungdes Absorptionsspektrums. Das Prinzip der Emissions- und Absorptionsspektroskopie ist in Abb. 3.1schematisch dargestellt.Hinsichtlich der in den Spektren vorkommenden Frequenzen bzw. Wellenlängen unterscheiden wir zwischenLinienspektren einerseits und kontinuierlichen Spektren und Bandenspektren andererseits. Bei denLinienspektren wird eine messbare Intensität nur für wenige diskrete Frequenzen gemessen. Wir werdenspäter sehen, dass solche Spektren von freier Atomen ausgesandt werden. In kontinuierlichen und Bandenspektrenwird eine endliche Intensität für eine ausgedehnten, kontinuierlichen Wellenbereich bzw.für breite Frequenzbänder beobachtet, wobei der Übergang fließend ist. Solche Spektren werden vonerhitzten Festkörpern oder von heißen Gasen unter sehr hohen Drücken ausgesandt. Die Lichtemissionkommt zwar immer primär von den Atomen. Falls diese aber dicht gepackt sind, so wechselwirkensie stark miteinander, so dass sie nicht mehr als frei angesehen werden können. Daraus resultiert einestarke Verbreiterung der Linien zu Banden und schließlich zu einem Kontinuum. Eine Quelle für einkontinuierliches Spektrum ist z.B. der schwarze Strahler.1 Beide Methoden sind von großer technologischer Bedeutung bei der Materialanalyse und kommen z.B. im Umweltschutzzum Einsatz.c○Walther-Meißner-Institut