Absorptionsspektren


Bezug zum Kerncurriculum:

Ich kann den Zusammenhang zwischen Spektrallinien und Energieniveauschemata erklären und vorgelegte Energieniveauschemata zur Berechnung der Wellenlänge von Spektrallinien benutzen und gemessenen Wellenlängen Energieübergänge zuordnen. Ich kann einen Versuch zur Resonanzabsorption erläutern.


Sonnenspektrum

Die Sonne sendet Photonen mit allen möglichen sichtbaren Wellenlängen aus. Betrachtet man das Licht der Sonne durch ein Prisma, dann sieht man das Regenbogenspektrum von weißem Licht mit allen Wellenlängen:

Verwendet man ein hochauflösendes Spektroskop, dann stellt man fest, dass im Spektrum des Sonnenlichts einige Wellenlängen eine sehr geringe Intensität haben. Die Spektrallinien, die im Spektrum des Sonnenlichts fehlen, nennt man Fraunhofer-Linien:

Die Ursache für das Fehlen der Fraunhofer-Linien im Spektrum des Sonnenlichts ist die Absorption dieser Photonen durch die Atmosphäre der Sonne und die Atmosphäre der Erde. Wenn Photonen, die in der Sonne freigesetzt werden, in Richtung eines Labors auf der Erde unterwegs sind, dann befinden sich auf dem Weg der Photonen in der Sonne und in der Erdatmosphäre viele verschiedene Atome. Die Elektronen dieser Atome haben bestimmte erlaubte Energieniveaus, so dass manche Photonen des Sonnenlichts absorbiert werden können. Wenn die angeregten Elektronen wieder auf das Grundniveau zurückfallen, kann folgendes passieren:

  • wenn das angeregte Elektron direkt auf den Grundzustand zurückfällt, wird ein Photon mit gleicher Wellenlänge wie das vorher absorbierte Photon in eine zufällige Raumrichtung emittiert. Dadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit das Labor auf der Erde zu erreichen.
  • wenn das angeregte Elektron über Zwischenstufen auf den Grundzustand zurückfällt, werden energieärmere Photonen mit kürzerer Wellenlänge in eine zufällige Raumrichtung ausgesendet. Es fehlen im Labor Photonen der ursprünglichen Wellenlänge.

In beiden Fällen nimmt die Intensität von Licht bestimmter Wellenlängen ab und es entstehen dunklere Stellen im Spektrum des Sonnenlichts. Ein solches Spektrum, in dem bestimmte Photonen auf dem Weg von der Lichtquelle zum Spektroskop absorbiert wurden, nennt man ein Absorptionsspektrum.

Mit Hilfe eines Absorptionsspektrums kann man versuchen herauszufinden, welche Atome z.B. in der Sonne vorhanden sind:

  • man bestimmt mit Hilfe z.B. eines Gitters die Wellenlänge \(\lambda\) eines fehlenden Photons
  • mit Hilfe der Formel \(E = h \cdot \frac{c}{\lambda}\) berechnet man dann die Energie des fehlenden Photons
  • mit Hilfe von Tabellen zu Energieniveaus in bestimmten Atomen versucht man herauszufinden, welche Energieniveaudifferenzen zu den fehlenden Photonen passen.
  • Hat man geeignete Übergänge gefunden, kann man eine Hypothese aufstellen, welche Atome z.B. in der Sonnenatmosphäre vorhanden sind.

In der folgenden Simulation können Sie einige solche Hypothesen nachvollziehen:

Simulation in neuem Fenster öffnen: Sonnenspektrum

Mit Hilfe der Absorbtionsspektroskopie kann man versuchen die Zusammensetzung ferner Sonnen, Planeten und kosmischen Nebel zu erforschen: Wie sehen die fernen Welten aus?

Die Absorptionsspektroskopie ist eine etablierte Methode zur Bestimmung der Bestandteile einer unbekannten Substanz: Absorptionsspektroskopie


Absorptionsversuch mit Natriumchlorid

Ein Schulversuch zur Absorptionsspektroskopie ist die Lichtschwächung einer Natriumdampflampe durch eine Flamme, in welcher Kochsalz aufgelöst wird. Dieses Experiment können Sie in der folgenden Simulation nachvollziehen:

In einem neuen Fenster starten: Absorption bei Natriumatomen

Die Absorption von Photonen, welche von einer Natriumdampflampe ausgesendet wurden, durch Natriumatome, welche sich in der Flamme befinden, nennt man Resonanzabsorption. Der Begriff "Resonanz" wird verwendet, da die von der Natriumdampflampe ausgesandten Photonen genau die richtige Frequenz haben, um die Natriumatome in der Flamme anzuregen (vgl. Eigenfrequenz bei Schwingungen).

Atome sind ununterscheidbar. Ein Natriumatom in einem Labor in Oldenburg hat bei gleichen Raumbedingungen genau die gleichen Energieniveaus, wie ein Wasserstoffatom in einem Labor auf dem Mars oder in einem Labor am anderen Ende unserer Galaxie. Deswegen könnte ein Photon, das von einem Natriumatom auf der Erde ausgesendet wurde, ein Natriumatom in einem Labor auf dem Mars anregen.