Emissionsspektroskopie mit Funken- und ... - UrsusMajor
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<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 1<br />
Fauftritt<br />
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong><br />
<strong>Funken</strong>- <strong>und</strong><br />
Lichtbogenanregung<br />
Versuche <strong>mit</strong> dem DADOS Spektrografen<br />
<strong>und</strong> einfachen Behelfs<strong>mit</strong>teln<br />
Richard Walker<br />
Version 2.0 August 2012
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 2<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
1 Einleitung ...................................................................................................................... 3<br />
2 Anregung von Emissionsspektren.............................................................................. 4<br />
3 Versuche <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>anregung .................................................................................. 5<br />
4 Versuche <strong>mit</strong> Lichtbogenanregung .......................................................................... 24<br />
5 Der Link zwischen stellaren- <strong>und</strong> Laborspektren ................................................... 28<br />
6 Anhang ........................................................................................................................ 31<br />
7 Literatur <strong>und</strong> Internet ................................................................................................ 33
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 3<br />
1 Einleitung<br />
Dass auch Amateurastronomen <strong>mit</strong> sehr einfachen Mitteln „Laborspektren“ erzeugen können,<br />
dürfte in unseren Kreisen noch wenig bekannt sein. Diese Schrift soll einfache Möglichkeiten<br />
aufzeigen, wie sich <strong>mit</strong> dem vorhandenen Spektrografen, sowie simplen elektronischen<br />
<strong>und</strong> mechanischen Bauteilen aus Elektronikversand <strong>und</strong> Baumarkt, chemische<br />
Elemente in bestimmten Materialien, Flüssigkeiten <strong>und</strong> Gasen nachweisen lassen.<br />
Die hier vorgestellten, stark vereinfachten Verfahren, lassen selbstverständlich keine eigentliche<br />
„Analytische Chemie“ zu. Qualitativ lassen sich aber für viele Substanzen die<br />
Hauptanteile an Elementen/Molekülen darstellen. Dazu wird das Gr<strong>und</strong>prinzip der Optischen<br />
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> (OES) angewendet, welches heute in professioneller Form in<br />
handelsüblichen, chemischen Analysegeräten eingesetzt wird. Dabei wird eine Probe so<br />
angeregt, dass sie ein spektroskopisch auswertbares Plasma absondert. Der Wellenlängenbereich<br />
reicht bei professionellen Anwendungen meist von ca. 2‘000 – 10‘000 Å. Mit<br />
einfachen Amateur<strong>mit</strong>teln lassen sich, analog zur Astrospektroskopie, ca. 3800 – 8000 Å<br />
abdecken.<br />
Meine persönliche Motivation war der Nachvollzug des Links zwischen den stellaren- <strong>und</strong><br />
den Laborspektren – quasi auf den „Spuren“ von Fraunhofer, Bunsen- <strong>und</strong> Kirchhoff. Sollten<br />
Amateure motiviert werden, eigene Versuche durchzuführen, wäre der Zweck dieser Schrift<br />
bereits erfüllt!<br />
Besten Dank an Urs Flükiger, der mich <strong>mit</strong> metallurgischem Know-how unterstützt <strong>und</strong> die<br />
Lichtbogenversuchen in Kapitel 4 <strong>mit</strong> Schweiss Equipment <strong>und</strong> Mitarbeitern seines Betriebes<br />
[62] ermöglicht hat.<br />
Richard Walker, CH 8911 Rifferswil © richiwalker@bluewin.ch
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 4<br />
2 Anregung von Emissionsspektren<br />
Emissionslinien können nicht nur in Sternatmosphären <strong>und</strong> Gasentladungslampen, sondern<br />
auch unter der Einwirkung von Flammen, elektrischen <strong>Funken</strong> <strong>und</strong> Lichtbögen erzeugt werden.<br />
Im Folgenden werden diese drei Prinzipien vorgestellt, welche behelfsmässig sehr einfach<br />
umzusetzen sind. Im professionellen Bereich existieren zahlreiche weitere Verfahren.<br />
Jede dieser Methoden eignet sich spezifisch für bestimmte Probentypen.<br />
2.1 Flammenanregung<br />
Dies ist sicher die älteste <strong>und</strong> einfachste<br />
Form. Allgemein bekannt ist<br />
der in Labors allgegenwärtige Bunsenbrenner.<br />
Weiter auch die Tatsache,<br />
dass Kochsalz, in die Flamme<br />
gestreut, die typisch gelbe Emission<br />
der Natrium Doppellinie D1, D2 erzeugt.<br />
Weiter können so auch viele<br />
Gase analysiert werden. Der intensive<br />
Abbrand von Kohlenwasserstoffgasen,<br />
z.B. Butan, erzeugt direkt die<br />
Emission der berühmten molekularen<br />
Swan Bänder (C2), wie in [13] gezeigt<br />
wird. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen in der relativ geringen Anregungsenergie,<br />
der latenten Brandgefahr, sowie der Beschädigung oder gar Zerstörung des Probenmaterials.<br />
Abb. rechts stammt aus [20].<br />
2.2 <strong>Funken</strong>anregung<br />
Dieses ebenfalls sehr alte Verfahren wurde auch bereits von Bunsen <strong>und</strong> Kirchhoff angewandt<br />
[20]. Ein elektrischer <strong>Funken</strong> erzeugt ein Plasma aus einem winzigen Anteil „verdampften“<br />
Elektrodenmaterials, sowie des durchschlagenen Gasgemisches zwischen den<br />
Elektroden. Dabei werden Temperaturen von ca.<br />
4000 – bis 5000 K erreicht, entsprechend etwa<br />
den stellaren Atmosphären der Spektralklasse K.<br />
Diese Anregungsenergie genügt auch zur zerstörungsfreien<br />
Analyse von Metallen/Legierungen.<br />
Behelfsmässig durchgeführt, <strong>mit</strong> piezoelektrischen<br />
<strong>Funken</strong>gebern oder <strong>Funken</strong>induktoren, ist<br />
dies ein relativ ungefährliches Verfahren.<br />
In aktuellen, handelsüblichen Analysegeräten erfolgt<br />
die „Befunkung“ des Probenmaterials meistens<br />
unter einer inerten Argon Atmosphäre. Bild:<br />
portables Analysegerät <strong>mit</strong> Pistolengriff (Bild:<br />
Angstrom Inc). Die Elektroden bestehen zum Teil aus sog. „spektralreiner“ Kohle, um möglichst<br />
wenig unerwünschte Eigenlinien ins Spektrum abzugeben.<br />
2.3 Lichtbogen Anregung<br />
Etwas empfindlicher, aber auch aufwendiger, ist die Anregung von Spektren <strong>mit</strong> Lichtbögen.<br />
Zudem ist hier eine Beeinträchtigung oder der „Verbrauch“ des Probenmaterials ein<br />
Thema. Hier werden zum Teil Kohlen- oder Wolframelektroden verwendet <strong>und</strong> Temperaturen<br />
zwischen 3000 – 4000 K erreicht, wie sie in den stellaren Atmosphären der späten<br />
K- <strong>und</strong> der gesamten M-Klasse vorkommen.
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 5<br />
3 Versuche <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>anregung<br />
3.1 Geräte<br />
Das einfachste <strong>und</strong> billigste Mittel für erste Versuche ist sicher ein<br />
Piezo Zündelement, welches im Elektronikhandel erhältlich ist. Bei<br />
meinem Versuchsaufbau ist das „SUPI V01“, bezogen bei Conrad<br />
Electronics, im Einsatz (Ersatzteil für Gasgrill Anzünder). Es erzeugt<br />
pro Knopfdruck einen Spannungsstoss von ca. 15 kV, was eine <strong>Funken</strong>länge<br />
von >1 cm ermöglicht.<br />
Hier eingebaut in einen Kunststoff Zahnbecher ist es wichtig, die beiden Drähte in genügendem<br />
Abstand zu verlegen, um einen unerwünschten <strong>Funken</strong>überschlag zu vermeiden.<br />
Um den Geräuschpegel bei der <strong>Funken</strong>auslösung zu dämpfen, kann der obere Teil des Bechers<br />
z.B. <strong>mit</strong> Schaumstoff ausgestopft werden.<br />
Die <strong>Funken</strong>strecke ist hier auf dem Boden einer umgedrehten Kunststoff „Zweierdose“ für<br />
Elektroinstallationen aufgebaut. Das Ganze wird über Steckverbindungen zusammengeschaltet<br />
um möglichst universell einsetzbar zu bleiben. Die obere Elektrode besteht aus einem<br />
kurzen Stück Graphit Bleistiftmine, welches <strong>mit</strong> einer Lüsterklemme an einem dicken,<br />
steifen, aber doch noch formbaren Kupferdraht befestigt wird. Graphit ist natürlich nur ein<br />
unvollkommener Elektrodenersatz für sog. „spektralreine“ Kohle. Relativ „sanfte“, molekulare<br />
C2 Swanbänder sind aber jedenfalls schmalbandigen, atomaren Fe I Emissionslinien vorzuziehen,<br />
die beispielsweise ein Eisennagel erzeugen würde!<br />
Die untere Elektrode besteht aus der Probenhalterung. Für die Aufnahme der unterschiedlichen<br />
Arten <strong>und</strong> Formen der Proben habe ich einen ganzen Satz unterschiedlicher Versionen<br />
nach Manier der „Kosmos Experimentierkästen“ erstellt (Zitat Urs Flükiger). Im Bild rechts<br />
ist ein behelfsmässiger Behälter für Schüttgut oder Flüssigkeiten zu sehen (z.B. Salz).
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 6<br />
Wer umfangreichere Versuche plant, wird wohl besser einen <strong>Funken</strong>induktor einsetzen.<br />
Dieser kann z.B. <strong>mit</strong> Hilfe einer Fahrzeugzündspule <strong>und</strong> einer einfachen Zusatzelektronik<br />
erstellt werden, welche heute den knatternden „Wagnerschen Hammer“ ersetzt. Entsprechende<br />
Anleitungen sind unter diesen Stichworten zahlreich im Internet zu finden.<br />
3.2 Aufbau <strong>und</strong> Durchführung des Versuches<br />
Der DADOS Spektrograf <strong>mit</strong> CCD Kamera ist auf einem Stativ befestigt. Zwingend erforderlich<br />
ist eine Vorsatzoptik, welche ein scharfes Bild der Probe auf dem Spaltblech erzeugt.<br />
Bei mir ist dazu ein altes VIVITAR Teleobjektiv <strong>mit</strong> Makrozoom <strong>und</strong> Gewindeanschluss im<br />
Einsatz. Diese Anforderung könnte aber auch <strong>mit</strong> einer einfachen Vorsatzlinse geeigneter<br />
Brennweite erfüllt werden. Die Spektren werden hier <strong>mit</strong> einer monochromen Meade DSI III<br />
Pro Kamera aufgezeichnet. Die Linienidentifikation erfolgte <strong>mit</strong> Hilfe der aufgeführten Literatur,<br />
dem elements oder lineident Tool der Vspec Software [52], oder der NIST Atomic<br />
Spectra Database [31].<br />
Logischerweise wird während der <strong>Funken</strong>entladung<br />
derjenige Teil des entstehenden Plasmas aufgenommen,<br />
der sich gerade auf dem Spaltblech befindet. Daher<br />
sollte der Auftreffpunkt des <strong>Funken</strong>s auf der Probe<br />
möglichst exakt auf dem Spalt zentriert werden. Bevorzugte<br />
Einschlagspunkte sind Spitzen, Ecken oder Kanten.<br />
Dass dieses Vorgehen obligatorisch ist, zeigt ein einfacher<br />
Versuch. Wird direkt die obere Graphit Elektrode<br />
angepeilt, erhält man ein Spektrum <strong>mit</strong> molekularen C2<br />
Swan Emissionsbanden, wie sie für Kohlenstoffverbindungen typisch sind (Tafel 1). Zentriert<br />
auf die Mitte des <strong>Funken</strong>überschlags zwischen den beiden Elektroden, ergibt das charakteristische<br />
Spektrum eines Blitzschlages, <strong>mit</strong> Linien der ionisierten Luftbestandteile, d.h.<br />
vor allem O II <strong>und</strong> N II (Tafel 2). Fokussiert auf die Probe erscheint deren Emissionsspektrum,<br />
ev. überlagert <strong>mit</strong> dem Luftspektrum des <strong>Funken</strong>s, weil der Versuch hier ohne Argon<br />
oder anderen Schutzgasen durchgeführt wird. In diesem Fall muss vorgängig das <strong>Funken</strong>-
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 7<br />
spektrum der Luft aufgenommen <strong>und</strong> dieses dann zusammen <strong>mit</strong> dem Probenspektrum<br />
dargestellt werden. So wird sofort ersichtlich, welche Emissionen von der Probe <strong>und</strong> welche<br />
von den Luftmolekülen stammen. Sollte dabei nur das <strong>Funken</strong>spektrum sichtbar sein,<br />
ist in den meisten Fällen der Einschlagsort des <strong>Funken</strong>s zuwenig exakt auf dem Spektrografenspalt<br />
abgebildet worden. Daher lohnt es sich, mehrere Aufnahmen <strong>mit</strong> leicht verschobenem<br />
Blickwinkel aufzunehmen. Der <strong>Funken</strong> sollte schräg von der Seite auf die Probe schlagen<br />
<strong>und</strong> nicht in Spaltrichtung verlaufen – etwa so, wie es auf obiger Aufnahme abgebildet<br />
ist.<br />
Für das 200L Gitter haben sich in abgedunkelter Umgebung Belichtungszeiten im Rahmen<br />
von ca. 15 Sek<strong>und</strong>en bewährt. In dieser Zeit wurde der <strong>Funken</strong> etwa 10x ausgelöst. Beim<br />
900L Gitter waren ca. 30 Sek<strong>und</strong>en, kombiniert <strong>mit</strong> etwa 20 – 30 <strong>Funken</strong>auslösungen erforderlich.<br />
Hier sind eigene Versuche unumgänglich. Wer der Knallerei <strong>mit</strong> der manuellen<br />
<strong>Funken</strong>auslösung überdrüssig wird, sollte bald auf einen <strong>Funken</strong>induktor umsteigen. Computerbildschirme<br />
müssen während den Aufnahmen ausgeschaltet oder weggedreht werden,<br />
da sie selbst relativ intensive Emissionslinien erzeugen.<br />
Die folgenden Versuche wurden <strong>mit</strong> elektrisch leitenden Proben durchgeführt, welche direkt<br />
als Elektroden dienten. Nichtleitende Materialien müssen zuerst entsprechend aufbereitet<br />
werden. In der Literatur wird u.a. das Bestreichen der Oberfläche <strong>mit</strong> Graphitpulver<br />
u.ä. empfohlen. Für Flüssigkeiten schlägt z.B. [21] die Tränkung von Kohletabletten aus der<br />
Apotheke vor.<br />
3.3 Ergebnisse<br />
Tafel 1:<br />
Tafel 1 zeigt das Spektrum der Graphit Elektrode, d.h. die typischen Swan Bänder, wie sie<br />
z.B. auch Kometen <strong>und</strong> Kohlenstoffsterne erzeugen [13]. Überlagert ist das <strong>Funken</strong>spektrum<br />
der Luft zu sehen, welches hier aus Emissionen ionisierten Sauerstoffs (O II), -<br />
Stickstoffs (N II) <strong>und</strong> der Wasserstofflinie Hα besteht. Die kräftige Natrium Emission<br />
(Fraunhofer D1 <strong>und</strong> D2) ist, infolge der geringen notwendigen Anregungsenergie, bei den<br />
meisten Materialspektren als dominantes Nebenprodukt oder „Verunreinigung“ zu sehen.<br />
Dies ist bereits Bunsen <strong>und</strong> Kirchhoff aufgefallen – hier Auszüge aus [20]:<br />
…Von allen Spectralreactionen ist die des Natriums am empfindlichsten. Die gelbe Linie Na,<br />
die einzige, welche das Natriumspectrum aufzuweisen hat, fällt <strong>mit</strong> der Fraunhofer’schen<br />
Linie D zusammen <strong>und</strong> zeichnet sich durch ihre besonders scharfe Begrenzung <strong>und</strong> ihre<br />
ausserordentliche Helligkeit aus. Ist die Flammentemperatur sehr hoch <strong>und</strong> die Menge der<br />
angewandten Substanz sehr gross, so zeigen sich in den nächsten Umgebungen der Linie<br />
Spuren eines continuirlichen Spectrums. Schon an sich sehr schwache, in ihre Nähe fallende<br />
Linien anderer Stoffe erscheinen dann noch mehr geschwächt <strong>und</strong> werden daher nicht<br />
selten erst sichtbar, wenn die Natriumreaction zu erlöschen beginnt…<br />
…Schon Swan hat auf die Kleinheit der Kochsalzmengen aufmerksam gemacht, welche die<br />
Natriumlinie noch deutlich hervorbringen können. Folgender Versuch zeigt, dass die Chemie<br />
keine einzige Reaction aufzuweisen hat, welche sich auch nur im Entferntesten <strong>mit</strong><br />
dieser spectralanalytischen Bestimmung des Natriums an Empfindlichkeit vergleichen liesse.<br />
Wir verpufften in einer vom Standorte unseres Apparates möglichst entlegenen Ecke<br />
des Beobachtungszimmers, welches ungefähr 60 Kubikmeter Luft fasst, 3 Milligramm<br />
chlorsaures Natron <strong>mit</strong> Milchzucker, während die nicht leuchtende Lampe vor dem Spalt<br />
beobachtet wurde. Schon nach wenigen Minuten gab die allmälig sich fahlgelblich färbende<br />
Flamme eine starke Natriumlinie, welche erst nach 10 Minuten wieder völlig verschw<strong>und</strong>en<br />
war…<br />
In etwas geringerem Ausmass als beim Natrium treten auch Kalziumlinien (Ca I <strong>und</strong> Ca II)<br />
häufig als Nebenlinien in Materialspektren in Erscheinung.
Spektrum Graphit Elektrode + Luft DADOS 200L/mm<br />
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 8<br />
TAFEL 1<br />
Beschriftung:<br />
Komposit Graphit + Luft<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Verunreinigungen/Nebenprodukte<br />
Rot: Emissionslinien Graphit<br />
Na l 5890/96<br />
C 2 5165 C2 5130<br />
C2 C2 4715<br />
4698<br />
C2 4685<br />
N II 5004/6<br />
C 2 4737<br />
O II / N II<br />
N II 5667/79<br />
C2 5636<br />
C2 5585<br />
C2 5541<br />
C2 5502<br />
N II 6611<br />
Hα 6562.85<br />
N II 6482<br />
Hα 6562.82<br />
N II 5932/42<br />
O I 7157<br />
N II 4447<br />
©Richard Walker 2011/02
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 9<br />
Tafel 2:<br />
Tafel 2 zeigt das <strong>Funken</strong>spektrum der Luft, aufgenommen ca. in der Mitte zwischen zwei<br />
Graphit Elektroden. Hier sind nur noch Emissionslinien der Luft <strong>und</strong> keine Reste von C2<br />
Swan Bändern oder anderen Kohlenstoffmolekülen mehr nachweisbar.<br />
Dieses Profil zeigt markante Ähnlichkeiten <strong>mit</strong> einem Blitzspektrum (siehe Tafel 2a), welches<br />
von den Emissionen einfach ionisierten Stickstoffs (N II) <strong>und</strong> Sauerstoffs (O II) dominiert<br />
wird. Die intensivsten Linien sind ursächlich für die bläulich weisse Farbe des Blitzes/<strong>Funken</strong>s.<br />
Lediglich die in Blitzspektren zu beobachtenden, intensiven Wasserstoffemissionen<br />
treten bei diesem Versuchsaufbau nur schwach in Erscheinung. Interessanterweise<br />
sind sie aber bei den meisten Materialspektren mehr oder weniger intensiv erkennbar, auch<br />
wenn in den Proben selbst kaum Wasserstoff vorhanden ist.<br />
Tafel 2a:<br />
Tafel 2a zeigt ein Blitzspektrum, welches via Wolkenreflexion aufgezeichnet wurde. Das C8<br />
Teleskop wurde nachts <strong>mit</strong> DADOS <strong>und</strong> Atik314L+ im Wohnzimmer aufgebaut <strong>und</strong> zielte<br />
durch das geschlossene Fenster auf das aufziehende Gewitter. Ausgewertet wurden drei<br />
Aufnahmen à 180 Sek<strong>und</strong>en im 2x2 Binning Modus. Pro Aufnahme konnte so das Licht von<br />
ca. 5-10 Blitzschlägen "aufintegriert" werden. Da die Wolkenbasis tief lag, musste auf<br />
sämtlichen Aufnahmen die Lichtverschmutzung subtrahiert werden. Auffällig die intensive<br />
CN Emission bei ca. 3900A. Bereits seit dem Beginn der Spektroskopie im 19. Jahrh<strong>und</strong>ert<br />
wurde versucht, Spektren von Blitzentladungen zu gewinnen. Dazu gehörten zum Beginn<br />
des 20. Jahrh<strong>und</strong>erts auch bekannte Astronomen wie Pickering <strong>und</strong> Slipher. Die Blitzforschung<br />
interessiert heute vor allem der zeitliche Intensitätsverlauf der einzelnen Emissionslinien<br />
während eines Blitzschlages. Dies erlaubt Rückschlüsse auf die physikalischen Prozesse,<br />
welche während den einzelnen Phasen dieses Phänomens aktiv sind. Die folgenden<br />
Diagramme aus [15], aufgenommen <strong>mit</strong> Highspeed-Kameras, zeigen den zeitlichen Intensitätsverlauf<br />
eines Blitzspektrums von 0 – 50 μ sec, im Bereich von 4000 – 5000 Å.
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 10<br />
<strong>Funken</strong>spektrum Luft DADOS 200L/mm<br />
TAFEL 2<br />
Beschriftung:<br />
N II 5001 - 07<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Verunreinigungen/Nebenprodukte<br />
N II 4630/43<br />
N II 4447<br />
N II 5667/79<br />
N II 4601/07<br />
O II<br />
O II 4349<br />
N II 4510/14<br />
N II 4227 - 37<br />
O II 4190<br />
O II 4119 - 53<br />
N II 4097<br />
O II 4072/76<br />
N II 4041<br />
N II 3995<br />
N II / O II 5179<br />
O II 4700/05<br />
Hα 6562.85<br />
N II 5932/42<br />
N II 5045<br />
O II 4943<br />
Hβ 4861 / N II 4859<br />
N II 5535<br />
N II 5496<br />
N II 4803.3<br />
N II 4780/88<br />
©Richard Walker 2011/02
Blitzschlag Wolkenreflexion<br />
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 11<br />
TAFEL 2a<br />
Hα 6562.83<br />
C8, DADOS: Gitter 200L mm-1 , 25μ Spalt 4.8.2012<br />
Atik 314L+ -2°C, 3x180s, 2x2 Binning (ca. 30 Blitzschläge)<br />
N I 6482 - 84<br />
N I 6441 - 57<br />
O I 6156- 58<br />
O I<br />
N I 6008<br />
N II<br />
N I<br />
N I / N II<br />
N II 5670- 90<br />
N I 5616- 23<br />
N I 5560- 64<br />
N II / OI<br />
N II 5171 -99<br />
N II 5001 - 07<br />
N I 4915<br />
Hβ 4861<br />
N I / N II / OI<br />
Hδ /N II / O II<br />
O II 3910 - 26<br />
CN 3871 ?<br />
N II/O II<br />
N I / O II<br />
Hγ / N I / O II<br />
O II 6721.35<br />
O II 6640.9<br />
N II 4041 - 44<br />
N II 3995<br />
O I 7157<br />
O I<br />
©Richard Walker 2012/08
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 12<br />
Tafel 3 bis 7:<br />
Die Tafeln 3 bis 7 zeigen das Spektrum von C15E Stahl/Werkstoffnummer 1.1141 (nachfolgend<br />
C15 E genannt). Chemische Beimengungen in [%] gemäss [62]:<br />
Chemische Zusammensetzung (in %)<br />
C Kohlenstoff: 0.12 – 0.18<br />
Si Silizium: max. 0.40<br />
Mn Mangan: 0.30 – 0.60<br />
P Phosphor: max. 0.035<br />
S Schwefel: max. 0.035<br />
Neben dem Hauptbestandteil Fe ist in den höher aufgelösten Spektren nur noch Mn (0.4%)<br />
nachweisbar. Die zahlreichen Fe-Linien könnten theoretisch auch zur Eichung eines Spektrums<br />
benutzt werden. Da gibt es allerdings elegantere Möglichkeiten, als jedesmal den<br />
<strong>Funken</strong>induktor anzuwerfen. Die Profile sind unnormierte/unkorrigierte Pseudokontinua.<br />
Tafel 3: Niedrig aufgelöstes (200L) Komposit Spektrum C15E Stahl + <strong>Funken</strong>spektrum der<br />
Luft.<br />
Tafel 4: 900L Komposit Spektrum im Bereich 3900 – 4800 Å von C15E Stahl + <strong>Funken</strong>spektrum<br />
der Luft (blaues Profil). Siehe auch Tafel 20, wo dieses Spektrum <strong>mit</strong> demjenigen<br />
der Sonne verglichen wird. Das hier überlagert dargestellte, rote Profil zeigt zusätzlich das<br />
„isoliert“ aufgenommene Luftspektrum ohne Eisenlinien.<br />
Tafel 4a: C15E Stahl Spektrum von Tafel 4 nach der Subtraktion des Luftspektrums. Trotzdem<br />
sind hier noch abgeschwächt Luftlinien zu sehen. Die Eisenlinien treten hier aber deutlicher<br />
hervor (Subtraktion <strong>mit</strong> der Vspec Funktion „Subtract Profile by a Profile“).<br />
Tafel 5: dito Tafel 4, hier im Bereich 4650 – 5550 Å<br />
Tafel 6: dito Tafel 4, hier im Bereich 5550 – 6450 Å <strong>und</strong> ohne „isoliert“ aufgenommenes<br />
Luftspektrum, da hier fast keine Fe I Linien zu sehen sind.<br />
Tafel 7: dito Tafel 6, hier im Bereich 6450 – 7400 Å<br />
.
Komposit <strong>Funken</strong>spektrum C15E Stahl + Luft DADOS 200L/mm<br />
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 13<br />
TAFEL 3<br />
Beschriftung:<br />
Fe I 4383.54<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Verunreinigungen/Nebenprodukte<br />
Rot: Emissionslinien Stahl C15E<br />
Na l 5890/96<br />
Fe I 4326<br />
Ca I/N II/Fe I 4226 - 28<br />
Ca II 3968.47<br />
Ca II 3933.66<br />
Fe I 4404.75<br />
Fe I 4308<br />
Fe I 4271<br />
N II 5001 - 07<br />
Fe I 4958<br />
Fe I 4920<br />
O II 4190<br />
O II 4119 - 53<br />
Fe I 4071<br />
N II 4041 / Fe I 4046<br />
N II 3995<br />
Fe I 3878 Fe I 3856<br />
Hα 6562.82<br />
Fe I 5615<br />
Fe I 5455<br />
Fe I 5406<br />
Fe I 5369-71<br />
Fe I 5328<br />
Fe I 5269-72<br />
Fe I 5227/33<br />
N II / O II 5179<br />
Fe I 5139<br />
Fe I 4891<br />
Fe I 4871<br />
N II 4788<br />
O II 4706<br />
O II 4664/76<br />
N II 4630/43<br />
N II 4601<br />
N II 4510/14<br />
N II 4447<br />
N II 5667/79<br />
N II 5535<br />
K I 6964 ?<br />
N II 5932/42<br />
©Richard Walker 2011/02
Komposit <strong>Funken</strong>spektrum C15E-Stahl + Luft DADOS 900L/mm<br />
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 14<br />
TAFEL 4<br />
O II 4642 + N II 4643<br />
N I 4630.54<br />
Komposit Spektrum C15 E + Luft<br />
Beschriftung:<br />
<strong>Funken</strong> Spektrum Luft<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Verunreinigungen/Nebenprodukte<br />
Rot: Emissionslinien Stahl C15E<br />
O II 4649<br />
Fe I 4383.55<br />
N II 4447<br />
N II 4621<br />
N II 4614<br />
N II 4607<br />
N II 4601<br />
Fe I 4325.76<br />
O II 4317.14<br />
Fe I 4307.9<br />
Fe I 4271.15<br />
Fe I 4260.47<br />
Fe I 4250.8<br />
Fe I 4236<br />
Ca I/Fe I 4227<br />
O II 4076<br />
Fe I 4071.7<br />
Fe I 4062<br />
Mn I 4057.9<br />
Fe I 4045.8<br />
O II 4700/05<br />
N II 4596<br />
N II 4591<br />
O II/Fe I 4415<br />
Fe I 4404.75<br />
O II 4349<br />
N II 4788<br />
O II 4676<br />
O II 4662<br />
N II 4530<br />
N II 4510/14<br />
O II 4466<br />
O II 4367-68<br />
Fe I 4199<br />
O II/N II 4190/95<br />
Fe I 4175<br />
O II 4153<br />
O II 4146<br />
O II 4132.8<br />
O II 4119.22<br />
N II 4097<br />
N II 3995<br />
Ca II 3968.47<br />
Ca II 3933.66<br />
N II 4237<br />
N II 4227<br />
N II 4200<br />
Fe I 4005<br />
O II 4396<br />
O II 4072/76<br />
N II 4041<br />
©Richard Walker 2011/02
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 15<br />
Subtrahiertes <strong>Funken</strong>spektrum C15E-Stahl DADOS 900L/mm<br />
TAFEL 4a<br />
Fe I 4045.8<br />
Ca II 3968.47<br />
Ca II 3933.66<br />
Ca I/Fe I 4227<br />
Fe I 4071.7<br />
Fe I 4062<br />
N II 3995<br />
Fe I 4325.76<br />
Fe I 4307.9<br />
Fe I 4271.15<br />
Fe I 4260.47<br />
Fe I 4250.12<br />
Mn I 4057.9<br />
Fe I 4404.75<br />
Fe I 4383.55<br />
©Richard Walker 2011/02
Komposit <strong>Funken</strong>spektrum C15E-Stahl + Luft DADOS 900L/mm<br />
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 16<br />
TAFEL 5<br />
Komposit Spektrum C15 E + Luft<br />
Beschriftung:<br />
<strong>Funken</strong> Spektrum Luft<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Verunreinigungen/Nebenprodukte<br />
Rot: Emissionslinien Stahl C15E<br />
N II / O II 5179<br />
N II 5045<br />
N II 4803.3<br />
O II 4705.36<br />
O II 4699.21<br />
N II 5001 - 5007<br />
Fe I 4957.6<br />
N II 4788<br />
N II 4779.71<br />
O II 4676.23<br />
N II 5535<br />
Fe I 5269 - 72<br />
Fe I 4920.5<br />
O II 4943<br />
Fe I 4891<br />
N II 5496<br />
Fe I 5233<br />
Fe I 5227<br />
Fe I 5192<br />
Fe I 4871<br />
Hβ 4861 / N II 4859<br />
N II 5480<br />
Fe I 5455<br />
Fe I 5341<br />
Fe I 5369 - 71<br />
Fe I 5341<br />
Fe I 5328<br />
Fe I 5324<br />
Fe I 5139<br />
Fe I 5075<br />
Fe I 4737<br />
Fe I 5406<br />
©Richard Walker 2011/02
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 17<br />
Komposit <strong>Funken</strong>spektrum C15E-Stahl + Luft DADOS 900L/mm<br />
TAFEL 6<br />
Na I 5889.95<br />
Beschriftung:<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Verunreinigungen/Nebenprodukte<br />
Rot: Emissionslinien Stahl C15E<br />
Komposit Spektrum C15 E + Luft<br />
N II 5679.56<br />
Na I 5895.92<br />
N II 5666.63<br />
N II 5941.65<br />
N II 5931.78<br />
N II 5710.77<br />
N II 5535<br />
Fe I 5616<br />
©Richard Walker 2011/02
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 18<br />
Komposit <strong>Funken</strong>spektrum C15E-Stahl + Luft DADOS 900L/mm<br />
TAFEL 7<br />
Beschriftung:<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Verunreinigungen/Nebenprodukte<br />
Rot: Emissionslinien Stahl C15E<br />
Komposit Spektrum C15 E + Luft<br />
N II 6611<br />
Hα 6562.85<br />
N II 6482<br />
O I 7157<br />
©Richard Walker 2011/02
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 19<br />
Tafel 8: Niedrig aufgelöstes (200L) Komposit Spektrum: Verzinkter Stahl + <strong>Funken</strong>spektrum<br />
der Luft.<br />
Dominierend sind hier erwartungsgemäss die Emissionslinien von Zink. Spitzenreiter ist<br />
klar die Linie bei 4810.53.Bei diesem Profil fällt auf, dass die Emissionslinien der Luft vergleichsweise<br />
bescheiden in Erscheinung treten, insbesondere die sonst intensive Linie, N II<br />
5001 – 5007 Å, fehlt hier sogar vollständig. Es ist auch kein ausgeprägtes Kontinuum erkennbar.<br />
Der Gr<strong>und</strong> für diese Effekte bleibt mir vorläufig unklar. Möglicherweise war hier<br />
der Spektrografenspalt besonders genau auf die Einschlagsstelle des <strong>Funken</strong>s ausgerichtet.<br />
Tafel 9: Niedrig aufgelöstes (200L) Komposit Spektrum: Aluminium + <strong>Funken</strong>spektrum der<br />
Luft.<br />
Hier sind drei Aluminium Emissionen im blauen Bereich des Spektrums dominierend. Auch<br />
bei diesem Profil fällt auf, dass die Emissionslinien der Luft vergleichsweise bescheiden in<br />
Erscheinung treten. Auch hier fehlt ein ausgeprägtes Kontinuum. Zwei Cluster <strong>mit</strong> Emissionslinien<br />
im Bereich von 4600 – 4750 Å, sowie 5100 – 5200 Å, lassen sich momentan<br />
nicht eindeutig identifizieren.<br />
Tafel 10: Niedrig aufgelöstes (200L) Komposit Spektrum: Kupferdraht + <strong>Funken</strong>spektrum<br />
der Luft.<br />
Beim Kupferdraht wurde vorgängig der Isolierlack entfernt. Auch hier fehlt ein ausgeprägtes<br />
Kontinuum. Dominierend sind hier drei isolierte Kupferlinien im Bereich von 5100 –<br />
5300 Å. Mehrere andere bilden Blends <strong>mit</strong> N II- <strong>und</strong> O II Emissionen, welche hier noch relativ<br />
intensiv erscheinen. Auffällig sind hier auch Nebenprodukte, d.h. Na l <strong>und</strong> Ca II Linien.<br />
Tafel 11: Niedrig aufgelöstes (200L) Komposit Spektrum, aufgenommen <strong>mit</strong> Urs Flükiger in<br />
Oberburg. Probe: Werkzeugstahl <strong>mit</strong> Titanoxid (Ti O2) beschichtet.<br />
Gut sichtbar sind hier Emissionsbanden von diatomischen Titanmonoxid<br />
Molekülen (TiO) <strong>und</strong> auch atomare Ti - Linien. Titandioxid<br />
(Ti O2) kann bei diesen hohen Temperaturen von >3000 K nicht bestehen,<br />
ebensowenig wie in den stellaren Atmosphären, bis hinunter<br />
zur späten M-Klasse.<br />
Das Luft Spektrum tritt hier nur schwach in Erscheinung. Siehe auch<br />
Tafel 21, wo ein Ausschnitt dieses Spektrums <strong>mit</strong> dem entsprechenden<br />
von Ras Algethi (α Her) überlagert dargestellt ist. Im Bereich<br />
von 5000 Å bildet allerdings die „Königslinie“ des Luftspektrums, die intensive N II<br />
Emission, einen Blend <strong>mit</strong> den TiO Banden.<br />
Da bei diesem Versuch der <strong>Funken</strong> die Titanoxidschicht durchschlagen musste, war er auch<br />
entsprechend schwächer ausgeprägt. Um die Absorptionsbanden besser sichtbar zu machen,<br />
wurde die Belichtungszeit auf 1 Minute gesteigert <strong>und</strong> der <strong>Funken</strong> ca. 150x ausgelöst.<br />
Wird eine Kante oder Ecke getroffen, besteht die Gefahr, dass dort die Beschichtung<br />
zu dünn oder gar nicht mehr vorhanden ist. Als ideal hat sich deshalb erwiesen, wenn der<br />
<strong>Funken</strong> rechtwinklig auf die Mitte der Probe schlägt <strong>und</strong> die Aufnahme ungefähr in der<br />
Oberflächenebene erfolgt. So spielt es auch keine Rolle, wenn sich die Einschlagstelle etwas<br />
verschiebt.<br />
Anmerkung: Es misslangen bisher Versuche, auf diese Art die Emissionslinien von Gold<br />
darzustellen. Es zeigte sich jeweils nur das Spektrum der Luftmoleküle. Der Gr<strong>und</strong> dafür<br />
bleibt mir vorläufig unbekannt.
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 20<br />
TAFEL 8<br />
Komposit <strong>Funken</strong>spektrum verzinkter Stahl + Luft DADOS 200L/mm<br />
Beschriftung:<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Verunreinigungen/Nebenprodukte<br />
Rot: Emissionslinien verzinkter Stahl<br />
Zn I 4810.53<br />
Zn I 4722.15<br />
N II 4041<br />
Na l 5890/96<br />
Zn I 4680.14<br />
N II 3995<br />
Zn I 6362.34<br />
Mn I ?<br />
O II/N II ?<br />
Mn I ?<br />
N II 4195<br />
Mn I ?<br />
N II 4097<br />
©Richard Walker 2011/02
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 21<br />
TAFEL 9<br />
Komposit Spektrum Aluminium + Luft DADOS 200L/mm<br />
Beschriftung:<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Verunreinigungen/Nebenprodukte<br />
Rot: Emissionslinien Aluminium<br />
Na l 5890/96<br />
Al I 3961.52<br />
Al I 3944.0<br />
Al II 4226.81<br />
Hα 6562.85<br />
N II 5667/79<br />
N II 5001 - 07<br />
N II / Hβ 4859/61<br />
C 2 ?<br />
O II ?<br />
©Richard Walker 2011/02
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 22<br />
TAFEL 10<br />
Komposit Spektrum Kupferdraht + Luft DADOS 200L/mm<br />
Beschriftung:<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Verunreinigungen/Nebenprodukte<br />
Rot: Emissionslinien Kupferdraht<br />
Cu I 5218.2<br />
Ca II 3933.66<br />
Cu I 5105.54<br />
Na l 5890/96<br />
Cu I 5153.24<br />
Cu I / N II 5001 - 07<br />
Cu I 4651.12 / N II 4630/43<br />
Cu I 4275.1<br />
Cu I 4230 / N II 4227 – 37 / Ca I<br />
Ca II 3968.47<br />
Cu I 4062.6 / O II 4349<br />
Fe I 3906.48 ?<br />
Cu I 5782.13<br />
N II 4041<br />
Hα 6562.85<br />
Cu I 5700.24<br />
N II 5667/79<br />
O II 4700/05<br />
O II 4190<br />
N II 3995<br />
Cu II 6154.22<br />
N II 5932/42<br />
Cu I 5292.52<br />
N II 4803.3<br />
N II 4447<br />
O II 4119 - 53<br />
©Richard Walker 2011/02
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 23<br />
Komposit <strong>Funken</strong>spektrum Titanoxid Beschichtung DADOS 200L/mm<br />
TAFEL 11<br />
Beschriftung:<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Verunreinigungen/Nebenprodukte<br />
Rot: Emissionslinien TiO Beschichtung<br />
TiO 4436<br />
Hα 6562.82<br />
TiO 6268<br />
Na I 5889/95<br />
TiO 5497<br />
TiO 5448/51<br />
TiO 5167<br />
TiO 5003/5020<br />
Ti I 4055<br />
Ti I 3989.76<br />
TiO 4804<br />
TiO 4761-63<br />
TiO 4704<br />
TiO 4668<br />
TiO 4626<br />
Ti I 4263<br />
N II / O II 5179<br />
N II 4447<br />
Ti I 4390/93<br />
Ti I 4300<br />
O II 4190<br />
Ti I 4137<br />
Ca II/Ti 3934<br />
?<br />
?<br />
?<br />
N II 5001 - 07<br />
©Richard Walker 2011/03
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 24<br />
4 Versuche <strong>mit</strong> Lichtbogenanregung<br />
4.1 Geräte <strong>und</strong> Versuchsaufbau<br />
Professionell werden Lichtbogenspektren <strong>mit</strong> Elektroden aus Wolfram oder spektralreiner<br />
Kohle in einer inerten Schutzgasatmosphäre gewonnen. Zusammen <strong>mit</strong> Urs Flükiger haben<br />
wir in seinem Betrieb in Oberburg [61] versucht, dies behelfsmässig <strong>und</strong> rudimentär <strong>mit</strong><br />
einem gewöhnlichen Elektroschweissgerät zu simulieren: Elektrode Rutil (Ti O2)/sauer. Zusätzlicher<br />
Test <strong>mit</strong> einer TIG Elektrode, in Kombination <strong>mit</strong> Argongas. TIG steht englisch für<br />
Tungsten-Inert-Gas (welding) – deutsch WIG für Wolfram-Inert-Gas (schweissen).<br />
Bild: Elektroschweissen <strong>mit</strong> Rutil Stabelektrode. DADOS Spektrograf <strong>und</strong> Vorsatzobjektiv<br />
auf AYO Montierung, Distanz ca. 3m. Urs (links im Hintergr<strong>und</strong>) bei der Aufzeichnung der<br />
Spektren am Laptop.<br />
TIG schweissen <strong>mit</strong> Argon Schutzgas (Hr. Baumgartner)
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 25<br />
4.2 Ergebnisse<br />
Tafel 15: Lichtbogen simuliert <strong>mit</strong> Elektroschweissgerät. Elektrode Rutil/sauer. Niedrig aufgelöstes<br />
(200L) Komposit Spektrum: Stahl 37, Werkstoffnummer 1.0037 (nachfolgend<br />
Stahl 37 genannt) + <strong>Funken</strong>spektrum der Luft.<br />
Der Vergleich <strong>mit</strong> dem <strong>Funken</strong>spektrum zeigt, dass das Bogenspektrum etwas höher aufgelöst<br />
ist. Zusätzlich zu den Linien von Fe I Atomen <strong>und</strong> Luftmolekülen, treten hier noch sehr<br />
zahlreich atomare <strong>und</strong> molekulare Titanemissionen auf (Ti/TiO). Diese stammen offensichtlich<br />
vom Rutil Mineral (Ti O2) der Schweisselektrode.<br />
Die Unterscheidung von Fe I <strong>und</strong> Ti I hat sich als schwierig (unsicher) erwiesen. Diese Linien<br />
liegen in der Liste oft nur Bruchteile von 1Å auseinander.<br />
Auffällig ist auch die breite Na I Emission <strong>mit</strong> einer zentralen Selbstabsorptionssenke, wie<br />
sie auch in den Spektren von Natriumhochdruckdampflampen aufritt (siehe [13]).<br />
Tafel 16: Lichtbogen simuliert <strong>mit</strong> Elektroschweissgerät, TIG Elektrode in Kombination <strong>mit</strong><br />
Argongas. Niedrig aufgelöstes (200L) Komposit Spektrum: Stahl 37 + Luft.<br />
Bei älteren Schweissanlagen verbesserte radioaktives Thorium die Zündeigenschaften gegenüber<br />
Gleichstrom. Diese Wolframelektrode enthält hier kein radioaktives Thorium mehr,<br />
da Flükiger & Co AG über moderne Schweissgeräte <strong>mit</strong> Hochspannungszündanlage <strong>und</strong><br />
entsprechender Steuerung verfügt. Folglich fehlen hier im Spektrum solche Emissionslinien.<br />
Das Profil wird eindrücklich beherrscht von intensiven Emissionen des Schutzgases Argon<br />
Ar I. Um die Fe I Linien überhaupt sichtbar zu machen, musste stark in der Intensitätsachse<br />
gezoomt werden. Im roten Bereich des Spektrums erscheinen daher die meisten Ar I Emissionen<br />
oben gekappt. In Wirklichkeit sind sie ca. doppelt bis dreifach so hoch!<br />
Gut sichtbar ist hier auch die Schutzwirkung des Argongases. Die Emissionen der Luftmoleküle<br />
sind nur schwach ausgeprägt. Die „Königslinie“ N II bei 5000 – 5007 Å fehlt sogar<br />
vollständig!
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 26<br />
TAFEL 15<br />
Vergleich Bogenspektrum Stahl 37 <strong>und</strong><br />
<strong>Funken</strong>spektrum C15E DADOS 200L/mm<br />
Beschriftung:<br />
Na l 5890/96<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Nebenprodukte<br />
Rot: Emissionslinien Stahl 37/C15E<br />
Bogenspektrum Stahl 37<br />
<strong>Funken</strong>spektrum C15E<br />
Ti I 4300/Fe I 4271 4326<br />
Ti I 4531<br />
Ti I 4457<br />
Fe I 6945 ?<br />
Fe I 6917 ?<br />
Ti I 5038<br />
N II 5001 - 07<br />
Ca I/N II/Fe I 4226 - 28<br />
N II 4041 / Fe I 4046/71<br />
Fe I 6710 – 13 ?<br />
Fe I 4985-87<br />
Hα 6562.82<br />
TiO 6268<br />
TiO 6159<br />
Fe I 6015-18<br />
Fe I 5800<br />
Fe I 5512-13<br />
Fe I 5328<br />
Fe I 5269-72<br />
Fe I 5205<br />
Fe I 5170<br />
Fe I 5065<br />
Fe I 4958<br />
Fe I 4920<br />
Ti I 48251<br />
TiO 4761/63<br />
TiO 4761/63<br />
Fe I 4405<br />
Fe I 4383.54<br />
N II/OII<br />
O II 4190<br />
O II 4119 - 53<br />
Ca II 3968.47<br />
Ca II 3933.66<br />
N II 5932/42<br />
N II 5667/79<br />
N II 5535<br />
Fe I 5455<br />
Fe I 5406<br />
Fe I 5369-71<br />
Fe I 5227/33<br />
N II / O II 5179<br />
Fe I 4891<br />
Fe I 4871<br />
N II 3995<br />
Fe I 3878<br />
©Richard Walker 2011/03
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 27<br />
TAFEL 16<br />
Komposit TIG Bogenspektrum Stahl 37 + Luft, DADOS 200L/mm<br />
Beschriftung:<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Verunreinigungen/Nebenprodukte<br />
Rot: Emissionslinien Stahl 37<br />
Blau: Emissionslinien des Schutzgases Ar<br />
Ar I 7384<br />
Ar I 7272.94<br />
Ar I 6965.43<br />
Ca II 3933.66<br />
Ar I 7158.84<br />
Ar I 7067.22<br />
Ar I 7030.25<br />
Ar I 6752.83<br />
Ar I 6871.3<br />
N II 4041 / Fe I 4046/71<br />
?<br />
Ca II 3968.47<br />
Fe I 6416 - 19<br />
Ar I 7316<br />
Ar I 7206.98<br />
Ar I 6937.66<br />
Hα 6562.82<br />
Na l 5890/96 ?<br />
Ar I 5650<br />
Fe I 5610<br />
Fe I 5563 - 66<br />
Ar I 5496<br />
Fe I 5455<br />
Fe I 5406<br />
Fe I 5369-71<br />
Fe I 5328<br />
Fe I 5269-72<br />
Fe I 5227/33<br />
Ar I 4510 / 22<br />
N II 4447<br />
Fe I 4383.54<br />
Ar I 4333 / 35 / 45<br />
Ar I 4300<br />
Ar I 4259 / 66 /72<br />
?<br />
Ar I 4198 / 00<br />
Ar I 4158 / 64<br />
Fe I 3856<br />
Fe I 6220<br />
?<br />
?<br />
Fe I 5914<br />
Fe I 5860/61<br />
Fe I 5835<br />
Fe I 5740<br />
N II / O II 5179<br />
Fe I 4958<br />
Fe I 4920<br />
Fe I 4891<br />
N II 4780/88<br />
?<br />
Ar I 4628.44<br />
Ar I 4596<br />
Fe I 3878<br />
©Richard Walker 2011/02
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 28<br />
5 Der Link zwischen stellaren- <strong>und</strong> Laborspektren<br />
Tafel 20: Zeigt im Blaubereich den Vergleich des höher aufgelösten (900L) Komposit Spektrums<br />
von C15E (gemäss Tafel 4), zum Sonnenspektrum. Alle Fe I Linien des <strong>Funken</strong>spektrums,<br />
sowie Ca II (als Nebenprodukt), lassen sich eindeutig im Sonnenspektrum identifizieren.<br />
Diverse Eisenlinien im <strong>Funken</strong>spektrum werden hier von intensiveren Emissionen der<br />
Luftmoleküle (O II, N II) überdeckt <strong>und</strong> stehen für den Link zum Sonnenspektrum nicht zur<br />
Verfügung.<br />
Tafel 21: Profilvergleich, Bereich von 4650 – 5900 Å, Titanoxid Bänder (TiO) (200L Gitter):<br />
– <strong>Funken</strong>spektrum TiO Emissionsbanden einer Oberflächenbeschichtung (gemäss Tafel 11)<br />
vs.<br />
– Stellare TiO Absorptionsbanden von Ras Algethi (α Her).<br />
In diesem Wellenbereich treten im Spektrum der Oberflächenbeschichtung deutlich Emissionsbänder<br />
von TiO in Erscheinung. Diese verlaufen ungefähr spiegelbildlich zu den charakteristischen<br />
Absorptionsbanden des späten M-Klasse Sterns α Her. Die Emissionen der<br />
Luftmoleküle sind hier relativ schwach ausgeprägt. Bei 5000 Å bildet allerdings N II einen<br />
intensiven Blend <strong>mit</strong> den TiO Banden.
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 29<br />
Spektrenvergleich Sonne <strong>und</strong> C15E (+ Luft) 900L/mm<br />
TAFEL 20<br />
Beschriftung:<br />
Spektrum Sonne<br />
Schwarz: Emissionslinien Luft (N II, O II)<br />
Grün: Verunreinigungen/Nebenprodukte<br />
Rot: Emissionslinien Stahl C15E<br />
Blau: Absorptionslinien Sonnenspektrum<br />
Fe I 4326<br />
CH 4299 - 4313<br />
Komposit Spektrum C15 E + Luft<br />
Fe I 4415<br />
Fe I 4405<br />
Fe I 4271<br />
Fe I 4260<br />
Fe I 4250<br />
Fe I 4236<br />
Fe I 4227 / Ca I<br />
Fe I 4199<br />
Fe I 4175<br />
Fe I 4072<br />
Fe I 4062<br />
Fe I/Mn I 4058<br />
Fe I 4046<br />
Fe I 4005<br />
Fe I 4383<br />
Hγ 4340.47<br />
Hδ 4101.74<br />
Ca II 3968.47<br />
Ca II 3933.66<br />
Fe I 4308<br />
N II 3995<br />
O II 4349<br />
O II 4317.14<br />
O II/N II 4190/95<br />
O II 4076<br />
O II 4367-68<br />
O II 4146<br />
O II 4119.22<br />
N II 4097<br />
N II 4041<br />
N II 4227<br />
O II 4153<br />
O II 4132.8<br />
N II 4200<br />
O II 4072/76<br />
©Richard Walker 2011/02
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 30<br />
Vergleich TiO 2 Beschichtung <strong>und</strong> Ras Algethi (α Her M5 Ib-Il) 200L/mm<br />
TAFEL 21 TiO 5847<br />
Spektrum Ras Algethi<br />
Komposit Spektrum TiO Beschichtung + Luft<br />
Na l 5889/95<br />
TiO 5814<br />
TiO 5760<br />
TiO 5668<br />
TiO 5597/03<br />
TiO 5497<br />
TiO 5448/51<br />
TiO 5359<br />
TiO 5308<br />
TiO 5240<br />
TiO 5167<br />
TiO 5003/20 5020<br />
N II 5001 - 07<br />
TiO 4955<br />
TiO 4847<br />
TiO 4804<br />
TiO 4761<br />
TiO 4704<br />
TiO 4668<br />
N II / O II 5179<br />
N II 4859<br />
©Richard Walker 2011/03
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 31<br />
6 Anhang<br />
6.1 Kirchhoffs handschriftliche Aufzeichnung von Spektren [20].<br />
Die Fraunhofer Absorptionslinien des Sonnenspektrums (oben) im Vergleich zu Emissionsspektren<br />
der Elemente Ka (heute K), Na, Li, Sr, Ca <strong>und</strong> Ba.
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 32<br />
6.2 Spektralatlanten <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong> <strong>und</strong> Bogenspektren der Vatikansternwarte<br />
In Fortsetzung der Tradition des legendären Pater Secchi, welcher im 19. Jahrh<strong>und</strong>ert den<br />
ersten stellaren Spektralatlas verfasste, hat die Vatikan Sternwarte in den 1930er <strong>und</strong> -40<br />
er Jahren mehrere Gr<strong>und</strong>lagenwerke <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenspektren publiziert. Treibende<br />
Kraft hinter diesem Projekt war Pater Alois Gatterer. Die folgenden Darstellungen<br />
entstammen dem antiquarisch erworbenen Buch [1] Ricerche Spettroscopiche von J. Junkes<br />
<strong>und</strong> E.W. Salpeter.
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 33<br />
7 Literatur <strong>und</strong> Internet<br />
Literatur:<br />
[1] Ricerche Spettroscopiche, J. Junkes, E.W. Salpeter, 1966, Laboratorio Astrofisico Della Specola<br />
Vaticana. Dreissig Jahre Spektralatlanten des Astrophysikalischen Laboratoriums der Vatikanischen<br />
Sternwarte. Vergriffen, nur noch antiquarisch erhältlich.<br />
Internet Links:<br />
Verfasser:<br />
Folgende Schriften zum Thema Spektroskopie können unter diesem Link heruntergeladen werden:<br />
http://www.ursusmajor.ch/astrospektroskopie/richard-walkers-page/index.html<br />
[10] Beitrag zur Spektroskopie für Astroamateure<br />
[11] Das Aufbereiten <strong>und</strong> Auswerten von Spektralprofilen <strong>mit</strong> den wichtigsten IRIS <strong>und</strong> Vspec<br />
Funktionen<br />
[12] Kalibrierung von Spektren <strong>mit</strong> der Xenon Stroboskoplampe<br />
[12a] Kalibrierung von Spektren <strong>mit</strong> dem Glimmstarter ST 111 von OSRAM<br />
[13] Spektralatlas für Astroamateure (Download in Deutsch <strong>und</strong> Englisch)<br />
[14] ] Das optische Spektrum des Quasars 3C273<br />
Blitz Spektroskopie:<br />
[15] A High-Speed Time-Resolved Spectroscopic Study of the Lightning Return Stroke: Part I, a Qualitative<br />
Analysis, Richard E. Orville, Institute of Atmospheric Physics, Tucson Arizona.<br />
http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0469(1968)025%3C0827%3AAHSTRS%3E2.0.CO%3B2<br />
[16] The optical spectrum of aircraft St. Elmos fire, E.M. Wescot et al. University of Alasca, 1996.<br />
http://www.uas.alaska.edu/artssciences/naturalsciences/envs/faculty_staff/pubs/wescott96_stelmo.pdf<br />
[17] Lightning Physics and Effects, V. Rakov, M. Uman<br />
[18] The Spectrum of Lightning, L. Wallace, Kit Peak, National Observatory<br />
http://adsabs.harvard.edu/full/1964ApJ...139..994W<br />
[19] Lightning Spectroscopy, T. Walker, H. Christian, D. Sentman<br />
<strong>Emissionsspektroskopie</strong>:<br />
[20] Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen, G. Kirchhoff R. Bunsen, Annalen der Physik<br />
<strong>und</strong> [20]Chemie 1860, http://www.ub.uni-heidelberg.de/helios/fachinfo/www/physik/erg/spek.pdf<br />
[21] http://www.students.uni-mainz.de/jungc000/uugit/inhaltsv.htm<br />
Inhaltsverzeichnis <strong>mit</strong> zahlreichen Ideen <strong>und</strong> Tips zur <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Flammenspektroskopie u.a. unter<br />
der Rubrik „Chemische Analysen“.<br />
[22] Phasenaufgelöste, optische <strong>Emissionsspektroskopie</strong> an RF Plasmarandschichten, Diplomarbeit<br />
2007, S. Nemschokmichal, Universität Greifswald<br />
http://www1.physik.uni-greifswald.de/download/dissertationen/dip-nemschokmichal.pdf<br />
Datenbanken<br />
[31] NIST Atomic Spectra Database:<br />
http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html<br />
[32] Simulierte Emissionsspektren für sämtliche Elemente,<br />
http://bmauclaire.free.fr/astronomie/spectro/simulation/noblet/index2.htm<br />
Vspec <strong>und</strong> IRIS:
<strong>Emissionsspektroskopie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Funken</strong>- <strong>und</strong> Lichtbogenanregung 34<br />
[51] Webpage von Christian Buil (Autor von IRIS)<br />
http://www.astrosurf.com/buil/<br />
[52] Webpage von Valerie Désnoux (Autorin von Vspec)<br />
http://astrosurf.com/vdesnoux/<br />
Metallurgie <strong>und</strong> Schweisstechnik<br />
[61] Flükiger & Co AG - Industrieschmiede, Emmentalstrasse 75, CH 3414 Oberburg<br />
http://www.fluekiger.ch/<br />
[62] Werkstoffdatenblatt Voegelin AG, C15E Stahl/Werkstoffnummer 1.1141<br />
http://www.voegelinag.ch/DE/Dokumente/Werkstoffdatenblatt_C15E.pdf