Tagungsbericht der VdS-Fachgruppe SPEKTROSKOPIE

Jugend-forscht-Projekt „Solarspektroskopie
Sara Butte, Martin Gotthardt, Deborah Weißer & Lara Wimmer
Friedrichs-Gymnasium Kassel, Astronomie-AG, Humboldtstraße 5, 34117 Kassel,
www.friedrichsgymnasium-kassel.de
Einführung in die Spektroskopie
Zunächst ist es wichtig, sich mit grundlegenden
theoretischen Aspekten der Spektroskopie zu befassen.
Hauptsächlich geht es darum, den Prozess der
Absorption und Emission zu verstehen.
a) - Verschiedene Spektrentypen
� Ein glühender Festkörper, eine Flüssigkeit oder
ein sehr dichtes Gas sendet ein kontinuierliches
Spektrum aus. Die Farbabfolge im
sichtbaren Teil ist wie bei einem Regenbogen:
violett-blau-grün-gelb-orange-rot. Es enthält
keine Linien, da es Licht in allen Wellenlängen
aufweist, die kontinuierlich ineinander
übergehen.
� Ein glühender fester oder flüssiger Körper, der
von einem kühleren Gas umgeben ist, sendet
ein Absorptionsspektrum aus, das äußerlich
nichts anderes ist als ein kontinuierliches
Spektrum, das jedoch von schwarzen Absorptionslinien
durchzogen ist. Wo sich jeweils die
Absorptionslinien befinden, hängt von dem
jeweiligen Atom, Molekül oder Ion ab. (Die
Sonne sendet solch ein Spektrum aus.)
� Ein leuchtendes Gas sendet ein Emissionsspektrum
(Linienspektrum) aus, d.h. man sieht
einzelne schmale scharfe Linien in unterschiedlichen
Farben auf schwarzem Hintergrund.
Die Anordnung und die Intensität der
Linien hängt vom jeweiligen Gas ab. (Abb. 1)
Abbildung 1: Kontinuierliches Spektrum (oben) und Absorptionsspektrum
(unten).
b) - Wie kommt ein kontinuierliches Spektrum
zu Stande?
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Dies lässt sich am besten mithilfe eines Schwarzkörpers
erklären. Ein schwarzer Körper ist ein Ideal,
das so in der Natur nicht vorkommt. Ein
Schwarzkörper reflektiert kein Licht, da jedes Photon
unmittelbar nach seiner Entstehung wieder absorbiert
wird. Daraus folgt ein kontinuierliches
Spektrum. Die Erkenntnis von Max Planck (1900)
in Bezug auf die Schwarzkörperstrahlung war, dass
sich die Energie proportional zur Frequenz verhält.
Diese Konstante erhielt den Namen "Plancksches
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Wirkungsquantum" ( 6.
625 � 10 Js ). Die Intensitäten
der einzelnen Farben hängen hierbei nur von
der Temperatur ab und können durch die Plancksche
Strahlungsformel berechnet werden.
c) - Die Entstehung der Absorptions- und Emissionslinien
Die Entstehung der Absorptions- und Emissionslinien
resultiert aus dem Atomaufbau. Wir wollen
uns zuerst mit dem Wasserstoffatom befassen, weil
dies aufgrund seines leichten Atomaufbaus mit einem
Proton im Atomkern und einem Elektron, das
um den Kern kreist, am leichtesten zu verstehen ist.
Wichtig ist, sich erst einmal mit dem Bohrschen
Atommodell zu befassen, da man mit dessen Hilfe
den Aufbau und das Verhalten von Atomen vielleicht
besser nachvollziehen kann. Die Modellvorstellung
von Bohr besagt, dass sich um den Atomkern
Bahnen befinden, die mit den Elektronen des
Atoms besetzt sind; jedoch gibt es auch unbesetzte
Bahnen bzw. Bahnen, die erst dann existieren,
wenn Elektronen auf diese springen. Zu beachten
ist, dass die Elektronen auf ihren Bahnen kreisen
und dabei keine Energie abstrahlen. Kommen wir
zurück auf das H-Atom: Durch die positive Ladung
im Kern wird das negativ geladene Elektron an den
Kern gebunden. Nun stellen wir uns folgendes vor:
Das Elektron kreist auf der Bahn, die sich am nächsten
am Atomkern befindet. Die Bahn nummerieren
wir mit der Zahl “1“. Diesen Zustand bezeichnet
man als Grundzustand. Aber wir wissen ja bereits,
dass es auch noch viel mehr Niveaus gibt, die
weiter vom Kern entfernt sind; und außerdem