Worum geht es?

Licht entsteht, wenn Elektronen von einem energetisch angeregten Zustand in einen energetisch niedrigen Zustand kommen. Da Licht auch und vor allen bei Sternen entsteht, kann man durch die Analyse des Lichts von Sternen auf deren atomare Zusammensetzung schließen. Eine Möglichkeit der Analyse, ohne dort gewesen zu sein. Wenn man das Sonnenlicht durch ein Prisma zerlegt, sieht man Regenbogenfarben, und einige Stellen bleiben frei – das kontinuierliche Spektrum wird von schwarzen Linien durchzogen.

Was ist die genaue Frage?

Woher kommen die schwarzen Linien im Regenbogenspektrum der Sonne? Warum fehlen an ganz bestimmten Stellen des kontinuierlichen Spektrums ganz bestimmte Farben?

Was gäbe das für Konsequenzen?

Energien im Atom sind quantisiert. Nur ganz bestimmte Werte (Farben) können auftreten.

Voraussetzung und historischer Hintergrund 

Die schwarzen Linien im Regenbogenspektrum der Sonne wurden zuerst vom deutschen Physiker und Optiker Johann von Fraunhofer beobachtet. Joseph Balmer erklärte sie später. Noch später entdeckten Physiker namens Lyman, Paschen, Bracket und Pfund, dass es bei anderen Frequenzen elektromagnetischer Wellen, die von der Sonne kommen, ebenfalls schwarze Linien gibt – im unsichtbaren Bereich.

Joseph von Fraunhofer (1787–1826), deutscher Optiker und Physiker (c) Wikipedia

Das Experiment von Fraunhofer

Fraunhofer spaltete das weiße Sonnenlicht mit Hilfe eines Spektrums (Glasblock, geschliffen) in Regenbogenfarben auf. Dies funktioniert, weil die unterschiedlichen Frequenzen (Farben) im Lichtgemisch in Glas unterschiedliche Geschwindigkeiten haben, und ein Glasprisma diese Anteile ihrer Geschwindigkeit nach auffächert. Und: es sind da schwarze Linien.

Das Ergebnis

Balmer formulierte rechnerisch, dass schwarze Linien im Spektrum der Sonne vorkommen müssen. Allgemein weiß man heute, dass das Elektron im Wasserstoff der Sonne in einen angeregten Zustand kommen kann, in dem er passende Energie aufnimmt. Passende Energie kommt von den Lichtstrahlen der Sonne selbst. Nicht von allen, sondern nur von der passenden Farbe. Und diese Farbe fehlt dann im Spektrum.

Auswirkungen

Man kann durch die Spektralanalyse von Licht auf das Vorhandensein bestimmter Atome schließen. (Absorptionsspektrum). Andererseits kann man Gase erhitzen, und sie strahlen dann genau jene Bereiche als Licht ab, die sie im kalten Zustand „verschlucken“ (Emissionsspektrum).

Emissionsspektrum einer Quecksilberdampflampe; die Zahlen geben die Wellenlänge (in nm) der Spektrallinien des Quecksilbers an. Weitere Banden tragen keine Zahlen – dies sind die Emissionen der durch die UV-Strahlung des Quecksilber-Plasmas angeregten Leuchtstoffe. (c) Wikipedia/Leyo

Emissionsspektrum

Emissionsspektrum

Ein Emissionsspektrum ist das elektromagnetische Spektrum, das von Atomen, Molekülen oder Materialien ausgestrahlt wird. Die Spektrallinien entsprechen jeweils der Energiedifferenz zwischen zwei verschiedenen Zuständen des Atoms. Diese Energiedifferenz wird beispielsweise durch ein absorbiertes Lichtteilchen, ein Photon, aufgebracht und dann in Form eines Photons, mit jener Energie, abgegeben, d.h. emittiert. Diese ist daher diskret, kann also nicht beliebige Werte annehmen. (Quelle: Wikipedia)

Noch immer interessiert?

Wikipedia Stichwort: Fraunhoferlinie