Was ist ein Emissionsspektrum?
Ein Emissionsspektrum ist die elektromagnetische Strahlung (EMR), die ein Stoff wie sichtbares Licht aussendet. Jedes Element gibt einen einzigartigen Fingerabdruck des Lichts ab. Durch die Analyse der Frequenzen dieses Lichts kann die Chemikalie identifiziert werden, die es erzeugt hat. Dieses Verfahren wird als Emissionsspektroskopie bezeichnet und ist ein sehr nützliches wissenschaftliches Werkzeug. Es wird in der Astronomie verwendet, um die in Sternen und in der chemischen Analyse vorhandenen Elemente zu untersuchen.
Elektromagnetische Strahlung kann durch ihre Wellenlänge - den Abstand zwischen den Wellenbergen - oder durch ihre Frequenz - die Anzahl der Wellenberge, die in einer bestimmten Zeitspanne vorbeiziehen, beschrieben werden. Je höher die Energie der Strahlung ist, desto kürzer ist ihre Wellenlänge und desto höher ist ihre Frequenz. Blaues Licht hat beispielsweise eine höhere Energie und daher eine höhere Frequenz und 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, wohingegen Gase Energie absorbieren und bei bestimmten Wellenlängen emittieren können, um ein Emissionslinienspektrum zu bilden. Jedes chemische Element hat eine eigene eindeutige Folge von Linien.
Wie ein kontinuierliches Spektrum erzeugt wird
Relativ dichte Substanzen senden Licht bei allen Wellenlängen aus, wenn sie heiß genug werden. Die Atome sind relativ nahe beieinander und bewegen sich mit zunehmender Energie umher und stoßen aneinander, was zu einer großen Bandbreite von Energien führt. Das Spektrum besteht daher aus EMR in einem sehr weiten Frequenzbereich. Die Strahlungsmengen bei verschiedenen Frequenzen variieren mit der Temperatur. Ein in einer Flamme erhitzter Eisennagel wechselt mit steigender Temperatur von rot über gelb zu weiß und sendet bei kürzeren Wellenlängen zunehmend Strahlung aus.
Ein Regenbogen ist ein Beispiel für das kontinuierliche Spektrum der Sonne. Wassertropfen fungieren als Prismen, die das Licht der Sonne in verschiedene 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 zeigt die Farbe eines Sterns seine Temperatur an, wobei blaue Sterne viel heißer sind als rote.
Wie Elemente Emissionslinienspektren erzeugen
Ein Linienspektrum wird durch Gas oder Plasma erzeugt, wobei die Atome weit genug voneinander entfernt sind, um einander nicht direkt zu beeinflussen. Die Elektronen in einem Atom können auf verschiedenen Energieniveaus existieren. Wenn sich alle Elektronen in einem Atom auf dem niedrigsten Energieniveau befinden, befindet sich das Atom im Grundzustand . Da es Energie absorbiert, kann ein Elektron auf ein höheres Energieniveau springen. Früher oder später jedoch kehrt das Elektron auf den niedrigsten Stand und das Atom in den Grundzustand zurück und strahlt Energie als elektromagnetische Strahlung aus.
Die Energie der EMR entspricht der Energiedifferenz zwischen dem höheren und dem niedrigeren Zustand des Elektrons. Wenn ein Elektron von einem hohen in einen niedrigen Energiezustand fällt, bestimmt die Größe des Sprungs die Frequenz der emittierten Strahlung. Blaues Licht zeigt beispielsweise einen größeren Energieverlust an als rotes Licht.
Jedes Element hat seine eigene Anordnung von Elektronen und möglichen Energieniveaus. Wenn ein Elektron Strahlung einer bestimmten Frequenz absorbiert, sendet es später Strahlung mit derselben Frequenz aus: Die Wellenlänge der absorbierten Strahlung bestimmt den anfänglichen Sprung des Energieniveaus und damit den eventuellen Rücksprung in den Grundzustand. Daraus folgt, dass Atome eines bestimmten Elements nur Strahlung mit bestimmten Wellenlängen aussenden können und ein für dieses Element einzigartiges Muster bilden.
Spektren beobachten
Ein Instrument, das als Spektroskop oder Spektrometer bekannt ist, wird zur Beobachtung von Emissionsspektren verwendet. Es verwendet ein Prisma oder ein Beugungsgitter, um Licht und manchmal auch andere Formen der elektromagnetischen Strahlung in ihre verschiedenen Frequenzen aufzuteilen. Dies kann abhängig von der Lichtquelle ein kontinuierliches oder Linienspektrum ergeben.
Ein Linienemissionsspektrum erscheint als eine Reihe von farbigen Linien vor einem dunklen Hintergrund. Anhand 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.
Flammenprüfungen
Einige Elemente strahlen hauptsächlich einfarbiges Licht aus. In diesen Fällen ist es möglich, das Element in einer Probe durch einen Flammentest zu identifizieren. Dabei wird die Probe in einer Flamme erhitzt, verdampft und strahlt mit den charakteristischen Frequenzen ab, wodurch die Flamme eine deutlich sichtbare Farbe erhält. Das Element Natrium beispielsweise ergibt eine stark gelbe Farbe. Viele Elemente können auf diese Weise leicht identifiziert werden.
Molekulare Spektren
Ganze Moleküle können auch Emissionsspektren erzeugen, die sich aus Änderungen der Art und Weise ergeben, wie sie vibrieren 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. Diese Technik wird häufig in der organischen Chemie eingesetzt.
Absorptionsspektren
Es ist wichtig, zwischen Emissions- und Absorptionsspektren zu unterscheiden. In einem Absorptionsspektrum werden einige Wellenlängen des Lichts absorbiert, wenn sie durch ein Gas strömen, und bilden ein Muster aus dunklen Linien vor einem kontinuierlichen Hintergrund. Elemente absorbieren die gleichen Wellenlängen, die sie emittieren, sodass diese zur Identifizierung verwendet werden können. Zum Beispiel erzeugt das Licht der Sonne, das durch die Atmosphäre der Venus fällt, ein Absorptionsspektrum, mit dem Wissenschaftler die Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten bestimmen können.