## Absorptionsspektren
> **Bezug zum Kerncurriculum:**
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> - Ich kann einen Versuch zur Resonanzabsorption erläutern.
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## Sonnenspektrum
Die Sonne sendet Photonen mit einem näherungsweisen kontinuierlichen Spektrum von Wellenlängen aus. Betrachtet man das Licht der Sonne durch ein Prisma, dann sieht man das Regenbogenspektrum von weißem Licht:
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 **längerer 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.
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### Simulation: Fraunhofer-Linien
> Simulation in neuem Fenster öffnen: Sonnenspektrum
Durchführung
**Klicke** auf "Experiment Start/Stop", um das Experiment zu starten. **Aktiviere** "Fraunhofer-Linien anzeigen". **Ändere** die linke und rechte Grenze der Anzeige des Spektrums, so dass einzelne Linien zu sehen sind.
Beobachtung
Als Folgerung aus den beobachteten Fraunhofer-Linien müssten sich unter anderem folgende Atome in der Atmosphäre der Sonne oder der Erde befinden: Sauerstoff (O), Wasserstoff (H), Natrium (Na), Helium (He), Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Kalzium (Ca).
Mit Hilfe der **Absorptionsspektroskopie** kann man versuchen die Zusammensetzung ferner Sonnen, Planeten und kosmischen Nebel zu erforschen: [Wie sehen die fernen Welten aus?](https://www.spektrum.de/news/wie-sehen-die-fernen-welten-aus/1407154)
Die **Absorptionsspektroskopie** ist eine etablierte Methode zur Bestimmung der Bestandteile einer unbekannten Substanz.
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## Absorptionsversuch mit Natriumchlorid
Ein Schulversuch zur Absorptionsspektroskopie ist die **Lichtschwächung einer Natriumdampflampe** durch eine Flamme, in welcher Kochsalz aufgelöst wird.
> Das interaktive Experiment funktioniert im Moment nur mit der Firefox- oder Safari-Engine.
> Simulation in neuem Fenster starten: Absorption bei Natriumatomen
Experiment 1
**1.**: **Klicke** auf "Na-Lampe an/aus", um die Natriumdampflampe einzuschalten. Man sieht den Schirm mit der typischen orangenen Färbung des Lichts einer Na-Lampe:
**2.**: **Entzünde** die Flamme durch einen Klick auf "Flamme an":
**3.**: **Streue** Salz (Natrium- und Chloratome) in die Flamme. Man beobachtet einen deutlichen Schatten der Flamme auf dem Schirm:
**Erklärung des Schattens:** Nachdem Salz in die Flamme gestreut wurde, sieht man auf dem Schirm einen deutlichen Schatten der Flamme. Der Grund dafür ist, dass die Natrium-Atome in der Flamme die Photonen der Natrium-Lampe absorbieren können, da passende Energieniveaudifferenzen vorhanden sind (es sind ja die gleichen Natrium-Atome mit gleichem Aufbau der Atomhülle).
Die absorbierten Photonen werden nach kurzer Zeit wieder emittiert, was man daran sieht, dass die Flamme kräftig orange leuchtet. Allerdings werden die Photonen in alle Raumrichtungen emittiert, weswegen weniger Photonen aus dem Bereich der Flamme den Schirm erreichen und die Intensität auf dem Schirm im Bereich der Flamme deswegen stark abnimmt.
Experiment 2
**1.**: **Schalte** alle Lampen und die Flamme aus. **Klicke** dann auf "Hg-Lampe an/aus", um die Quecksilberdampflampe einzuschalten. Man sieht auf dem Schirm das helle Licht einer Quecksilberdampflampe:
**2.**: **Entzünde** die Flamme durch einen Klick auf "Flamme an". Man sieht einen unverändert beleuchteten Schirm:
**3.**: **Streue** Salz (Natrium- und Chloratome) in die Flamme. Man beobachtet **keinen Schatten**, wenn nur die Quecksilberdampflampe eingeschaltet ist:
**Erklärung dafür, warum kein Schatten beobachtet wird:** Die Quecksilberdampflampe sendet Photonen aus, die **nicht** zu den Energieniveaudifferenzen in den Natriumatomen oder Chloratomen passen, die sich in der Flamme befinden.
Dadurch kann in der Flamme kein Elektron angeregt werden und die Photonen der Quecksilberdampflampe passieren die Flamme, ohne absorbiert zu werden. Die Helligkeit auf dem Schirm ändert sich nicht.
Experiment 3
**1.**: **Schalte** beide Lampen ein, **entzünde** die Flamme und **streue** Salz in die Flamme. Man beobachtet im Licht der Natriumdampflampe einen deutlichen Schatten. Im Licht der Quecksilberdampflampe beobachtet man keinen Schatten:
Die Erklärung entspricht den Erklärungen aus Experiment 1 und 2, wobei jetzt beide Situationen gleichzeitig auftreten. Die unterschiedlichen Photonen beeinflussen sich nicht gegenseitig.
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## Resonanzabsorption
Die Absorption von Photonen, die von einer Natriumdampflampe ausgesendet wurden, durch Natriumatome, die 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 desselben Isotops im gleichen Zustand besitzen unter gleichen Umgebungsbedingungen dieselben Energieniveaus. Ein Natriumatom in einem Labor in Oldenburg hat bei gleichen Raumbedingungen die gleichen Energieniveaus, wie ein Natriumatom 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.
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