Ein Emissionsspektrum ist die elektromagnetische Strahlung (EMR), wie beispielsweise sichtbares Licht, die ein Stoff aussendet. Jedes Element gibt einen einzigartigen Lichtabdruck ab, daher hilft die Analyse der Frequenzen dieses Lichts, die Chemikalie zu identifizieren, die es erzeugt hat. Dieses Verfahren wird Emissionsspektroskopie genannt und ist ein sehr nützliches wissenschaftliches Werkzeug. Es wird in der Astronomie verwendet, um die in Sternen vorhandenen Elemente und in der chemischen Analyse zu untersuchen.
Elektromagnetische Strahlung lässt sich durch ihre Wellenlänge – den Abstand zwischen den Wellenbergen – oder ihre Frequenz – die Anzahl der Wellenberge, die in einer bestimmten Zeit vorbeiziehen – beschreiben. Je höher die Energie der Strahlung, desto kürzer ihre Wellenlänge und desto höher ihre Frequenz. Blaues Licht beispielsweise hat eine höhere Energie und damit eine höhere Frequenz und eine kürzere Wellenlänge als rotes Licht.
Arten von Spektren
Es gibt zwei Arten von Emissionsspektren. Der kontinuierliche Typ enthält viele Frequenzen, die lückenlos ineinander übergehen, während der Linientyp nur wenige unterschiedliche Frequenzen enthält. Heiße Objekte erzeugen ein kontinuierliches Spektrum, während Gase Energie absorbieren können und diese dann bei bestimmten spezifischen Wellenlängen emittieren, wodurch ein Emissionslinienspektrum gebildet wird. Jedes chemische Element hat seine eigene einzigartige Abfolge von Linien.
Wie ein kontinuierliches Spektrum erzeugt wird
Relativ dichte Stoffe emittieren, wenn sie heiß genug werden, Licht bei allen Wellenlängen. Die Atome sind relativ dicht beieinander und wenn sie Energie gewinnen, bewegen sie sich mehr und stoßen aneinander, was zu einer großen Bandbreite von Energien führt. Das Spektrum besteht daher aus EMR in einem sehr breiten Frequenzbereich. Die Strahlungsmengen bei verschiedenen Frequenzen variieren mit der Temperatur. Ein in einer Flamme erhitzter Eisennagel wird mit steigender Temperatur von rot über gelb nach weiß und emittiert zunehmend Strahlung bei kürzeren Wellenlängen.
Ein Regenbogen ist ein Beispiel für das kontinuierliche Spektrum der Sonne. Wassertröpfchen fungieren als Prismen, die das Licht der Sonne in seine verschiedenen Wellenlängen aufteilen.
Das kontinuierliche Spektrum wird ausschließlich von der Temperatur eines Objekts und nicht von seiner Zusammensetzung bestimmt. Tatsächlich können Farben in Bezug auf die Temperatur beschrieben werden. In der Astronomie verrät die Farbe eines Sterns seine Temperatur, wobei blaue Sterne viel heißer sind als rote.
Wie Elemente Emissionslinienspektren erzeugen
Ein Linienspektrum wird durch Gas oder Plasma erzeugt, bei dem die Atome weit genug voneinander entfernt sind, um sich nicht direkt zu beeinflussen. Die Elektronen in einem Atom können auf unterschiedlichen Energieniveaus existieren. Wenn alle Elektronen in einem Atom ihr niedrigstes Energieniveau haben, spricht man von einem Atom im Grundzustand. Da es Energie absorbiert, kann ein Elektron auf ein höheres Energieniveau springen. Früher oder später jedoch kehrt das Elektron auf sein niedrigstes Niveau zurück und das Atom in seinen Grundzustand und emittiert Energie als elektromagnetische Strahlung.
Die Energie der EMR entspricht der Energiedifferenz zwischen den höheren und niedrigeren Zuständen des Elektrons. Wenn ein Elektron von einem hochenergetischen in einen niederenergetischen Zustand fällt, bestimmt die Größe des Sprungs die Frequenz der emittierten Strahlung. Blaues Licht weist beispielsweise auf einen größeren Energieabfall hin als rotes Licht.
Jedes Element hat seine eigene Anordnung von Elektronen und möglichen Energieniveaus. Wenn ein Elektron Strahlung einer bestimmten Frequenz absorbiert, wird es später Strahlung derselben Frequenz emittieren: Die Wellenlänge der absorbierten Strahlung bestimmt den anfänglichen Sprung des Energieniveaus und damit den Sprung zurück in den Grundzustand. Daraus folgt, dass Atome eines bestimmten Elements nur Strahlung bei bestimmten spezifischen Wellenlängen emittieren können und ein für dieses Element einzigartiges Muster bilden.
Beobachtung von Spektren
Ein Instrument, das als Spektroskop oder Spektrometer bekannt ist, wird verwendet, um Emissionsspektren zu beobachten. Es verwendet ein Prisma oder Beugungsgitter, um Licht und manchmal andere Formen von EMR in ihre verschiedenen Frequenzen aufzuteilen. Dies kann je nach Lichtquelle ein kontinuierliches oder ein Linienspektrum ergeben.
Ein Linienemissionsspektrum erscheint als eine Reihe von farbigen Linien vor einem dunklen Hintergrund. Durch Notieren der Positionen der Linien kann ein Spektroskopiker feststellen, welche Elemente in der Lichtquelle vorhanden sind. Das Emissionsspektrum von Wasserstoff, dem einfachsten Element, besteht aus einer Reihe von Linien im roten, blauen und violetten Bereich des sichtbaren Lichts. Andere Elemente haben oft komplexere Spektren.
Flammtests
Einige Elemente emittieren hauptsächlich Licht von nur einer Farbe. In diesen Fällen ist es möglich, das Element in einer Probe durch einen Flammtest zu identifizieren. Dabei wird die Probe in einer Flamme erhitzt, wodurch sie verdampft und Strahlung mit ihren charakteristischen Frequenzen emittiert und der Flamme eine deutlich sichtbare Farbe verleiht. Das Element Natrium beispielsweise gibt eine kräftige gelbe Farbe. Viele Elemente können auf diese Weise leicht identifiziert werden.
Molekulare Spektren
Ganze Moleküle können auch Emissionsspektren erzeugen, die aus Veränderungen in der Art und Weise resultieren, wie sie schwingen oder rotieren. Diese beinhalten niedrigere Energien und neigen dazu, Emissionen im infraroten Teil des Spektrums zu erzeugen. Astronomen haben durch Infrarotspektroskopie eine Vielzahl interessanter Moleküle im Weltraum identifiziert, und die Technik wird häufig in der organischen Chemie verwendet.
Absorptionsspektren
Es ist wichtig, zwischen Emissions- und Absorptionsspektren zu unterscheiden. In einem Absorptionsspektrum werden einige Wellenlängen des Lichts beim Durchgang durch ein Gas absorbiert und bilden ein Muster dunkler Linien vor einem kontinuierlichen Hintergrund. Elemente absorbieren die gleichen Wellenlängen, die sie emittieren, sodass dies zu ihrer Identifizierung verwendet werden kann. Zum Beispiel erzeugt das Licht der Sonne, das durch die Atmosphäre der Venus fällt, ein Absorptionsspektrum, das es Wissenschaftlern ermöglicht, die Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten zu bestimmen.