Elektromagnetische Strahlung

Spektroskopie - Das Licht als Informationsquelle

Die Eigenschaften des elektromagnetischen Spektrums, Bild von HolgerFiedler Lizenz: CreativeCommons CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0Um mehr über den Aufbau des Universums und die Eigenschaften der Himmelsobjekte zu erfahren, sind wir auf die Analyse der elektromagnetischen Strahlung angewiesen, die von ihnen ausgeht. Diese können wir im Bereich des sichtbaren Lichts am Teleskop beobachten oder durch andere Instrumente messen und auswerten.

Das Licht stellt uns dabei viele Informationen zur Verfügung und erlaubt die Erforschung von weit entfernten Himmelskörpern, die wir auf andere Art nicht erreichen können. Ein Spektroskop macht die einzelnen Wellenlängen eines Spektrums sichtbar. Auf diese Weise kann die Strahlungsquelle, beispielsweise ein Stern oder ein Nebel, analysiert werden.

Elektromagnetische Wellen

Abhängig vom Frequenzbereich sind verschiedene Strahlungsarten möglich. Die Wellenlängen zwischen etwa 400 nm und 700 nm sind uns dabei als sichtbares Licht vertraut und können von unserem Augen erfasst werden. Je energiereicher die elektromagnetische Strahlung ist, desto kürzer ist die Wellenlänge.

Entstehung des Lichts

Durch Energiezufuhr kann ein Elektron auf ein höheres Energieniveau gehoben werdenDurch Zuführung von Energie kann ein Elektron vom Grundzustand (n=1) auf das nächsthöhere Niveau springen (n=2). Hier bleibt es nur für einen Sekundenbruchteil, um wieder in den Grundzustand zurückzufallen. Dabei gibt es die Energie wieder in Form eines Lichtteilchens ab. Das Lichtteilchen wird Photon genannt und breitet sich mit dem als Lichtgeschwindigkeit definierten Tempo von etwa 300.000 km pro Sekunde aus.

Das Licht verhält sich sowohl wie ein Teilchen (Photon), aber auch wie eine Welle (elektromagnetische Strahlung). Dies wird auch Dualismus des Lichts genannt. Elektromagnetische Strahlung hat Berge und Täler als Auslenkung auf einem Diagramm. Der Abstand zwischen einem Berg zum anderen wird als Wellenlänge bezeichnet, die Zahl der Durchgänge von Bergen und Tälern in einer bestimmten Zeiteinheit nennt sich Frequenz.

Der Fingerabdruck des Atoms

Spektrum von QuecksilberGibt ein Elektron bei dem Sprung auf ein niedrigeres Energieniveau Licht ab, so hat das Photon eine feste Energiemenge, also eine definierte Wellenlänge. Jedes Energieniveau stellt einen anderen Wert dar. Die frei werdende Energie ist quantisiert, sie kann also keinen beliebigen Wert betragen, sondern das Niveau verläuft in festen Sprüngen. Dies wird als Quantensprung oder besser als Übergang bezeichnet.

So können für jedes Atom nur bestimmte Wellenlänge entstehen, abhängig von den durch die Elektronenzahl und den Energieniveaus festgelegten Möglichkeiten.

Ein Atom kann anhand dieses charakteristischen Musters in einem Spektrometer identifiziert werden. Das Spektrometer spaltet das Licht in seine einzelnen Wellenlängen auf und macht sie auf diese Weise sichtbar.

Ionisation und Plasma

Energiereiche Strahlung wirkt ionisierendWird genügend Energie hinzugefügt, kann ein Elektron sogar die vorbestimmten Bahnen um den Atomkern verlassen. Die elektronenlosen Atomkerne werden jetzt als Ionen bezeichnet und sind positiv geladen. Das ionisierte Gas mit den Elektronen und Ionen nennt sich Plasma. Die Ionisation kann durch eine energiereiche Strahlung erreicht werden.

Die freien Elektronen können jetzt auch eine beliebige Energiemenge in sich tragen, da sie nicht mehr an die festen Energieniveaus des Kerns gebunden sind. Verbindet sich das Elektron wieder mit dem Kern und kehrt auf ein Energieniveau zurück, wird ein Photon mit dem übrig gebliebenen Energiewert abgegeben. Die Wellenlänge kann deshalb einen beliebigen Wert betragen, da sie nicht mehr quantisiert ist. Die Elektronen streben weiter den Grundzustand an und geben bei den weiteren Übergängen wieder die festen Wellenlänge ab.

Das Kontinuum

Elektromagnetische Strahlung kann auch durch thermische Energie erzeugt werden. Hierzu stellt man sich als idealisierten Körper einen „schwarzen Strahler“ vor, der alle auf ihn einwirkende Energie jeder Wellenlänge vollständig aufnimmt (=absorbiert) und wieder als elektromagnetische Strahlung in Form von Wärme abgibt (=emittiert).

Wärme wird durch die Bewegung der Atome erzeugt. Je schneller sie sich bewegen, umso mehr Wärme entsteht. Wird die Bewegung so schnell, dass die Elektronen vom Kern getrennt werden, können sie jeden Energiewert in sich tragen. Wenn sie wieder Rekombinieren, sich also wieder mit dem Kern verbinden und auf ein Energieniveau zurückkehren, wird die übriggebliebene Energiemenge frei. Diese Energiemenge ist variabel und hat deshalb unterschiedliche Wellenlängen.

Temperaturmessung mit dem Spektrometer

Das Strahlungsmaximum entspricht der Temperatur. Bei den Glühlampen liegt dies außerhalb des sichtbaren Bereichs. Nur ein Teil der Strahlung ist sichtbar.Die Lichtfarbe, die ein Körper aussendet, ist abhängig von seiner Temperatur und kann berechnet werden. Umgekehrt kann bei der Spektroskopie das Wellenmaximum der Kontinuumstrahlung gemessen werden. Dies erlaubt den Rückschluss auf die Temperatur des Körpers.

Wird ein Körper heiß genug, überschreitet ein Teil der Wellenlänge der abgegebenen Strahlung den Infrarotbereich und der Körper gibt Strahlung in Form von Licht ab (z. B. glühende Herdplatte, Glühlampe). Die Farbe des Lichts ist dabei wieder von der Energiemenge und folglich der Wellenlänge abhängig. Eisen kann rotglühend, aber auch gelb- oder blauglühend sein.