Spektrallinie

Dieser Text beschreibt Spektrallinie.

Als Spektrallinie bezeichnet man das von einem Atom oder Molekül aufgrund eines quantenmechanischen Übergangs abgegebene oder absorbierte Licht einer exakt definierten Frequenz. Angewandt wird dies bei der instrumentellen Atomspektroskopie oder der Flammenfärbung.

Die Frequenz einer Spektrallinie wird durch die Energie des emittierten oder absorbierten Photons bestimmt, die gerade den Unterschied zwischen den Energien der quantenmechanischen Zustände bestimmt.

Erstmals entdeckt wurden Absorptionslinien 1802 durch William Hyde Wollaston und 1813, unabhängig von ihm, durch Joseph von Fraunhofer in dem Spektrum der Sonne. Diese dunklen Linien in dem Sonnenspektrum werden auch Fraunhofersche Linien genannt. Die Abbildung zeigt das Sonnenspektrum mit dem Namenszug Fraunhofers auf einer Briefmarke.

Fraunhofersche Linien auf einer Sonderbriefmarke der Deutschen Bundespost anläßlich des zweihundertsten Geburtstags des Physikers.

Eine Emissionslinie ergibt sich durch Übergang von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau. Hierbei wird ein Photon ausgesendet. Dies kann entweder spontan geschehen (spontane Emission ), oder, wie beispielsweise beim Laser, durch Licht passender Frequenz angeregt werden (stimulierte Emission). Sie zeigt sich in dem Spektrum als helle Linie.

Eine Absorptionslinie ergibt sich durch Absorption eines passenden Photons des eintreffenden Lichts, wodurch ein Übergang von einem niedrigeren in ein höheres Energieniveau induziert wird. Sie zeigt sich als dunkle Linie in dem kontinuierlichen Spektrum des einfallenden Lichtes.

Das Licht einer Spektrallinie enthält nicht eine Frequenz, sondern einen (schmalen) Frequenzbereich. Die Breite dieses Bereiches bezeichnet man Linienbreite. Die Linienbreite einer Emissionslinie setzt sich aus mehreren Beiträgen zusammen:

• Die natürliche Linienbreite ergibt sich aus der Lebensdauer des Ausgangszustands durch die heisenbergsche Unschärferelation. Diese hat die Form einer Lorenzkurve. Es ist nicht möglich, diese zu verringern.

• Aufgrund der thermischen Bewegung der Atome entsteht ein Dopplereffekt, der das Licht eines einzelnen Atoms oder Moleküls je nach Bewegungsrichtung rot- oder blauverschiebt. Aufgrund der statistischen Bewegung ergibt sich insgesamt eine breitere Frequenzverteilung. Diesen Effekt bezeichnet man Dopplerverbreiterung. Sie hat die Form einer Gaußkurve und ist temperaturabhängig. Meist dominiert sie deutlich über die natürliche Linienbreite.

Die Spektrallinien waren einer der Effekte, die zur Entwicklung der Quantenmechanik beitrugen. Ein klassisches Elektron kann elektromagnetische Wellen beliebiger Frequenzen abgeben, die Existenz von diskreten Linien war klassisch nicht erklärbar. Die Entdeckung, dass die Frequenzen der Spektrallinien des Wasserstoffatoms proportional zu einem Ausdruck der Form (1/n² - 1/m²) mit ganzen Zahlen m und n sind, führte zu dem Konzept der Quantenzahl und brachte Niels Bohr schließlich auf sein bohrsches Atommodell, das erste (heute überholte) quantenmechanische Atommodell. Die moderne Quantenmechanik kann die Spektrallinien der Atome mit sehr hoher Genauigkeit vorhersagen.