Kurs:Physik für Techniker/Spektren

Spektren

Die Erfahrung hat gezeigt:

Glühende und flüssige Körper und stark verdichtete Gase senden kontinuierliche Spektren aus.
Leuchtende einatomige Gase senden Linienspektren aus. Diese nennt man deshalb auch Atomspektren.
Jedes gasförmige Element erzeugt unter gleichen Bedingungen immer das gleiche, für das Element charakteristische Linienspektrum.

Das heißt die Spektren können zur Identifizierung der Elemente benutzt werden. Im Jahr 1859 entwickelten Kirchhoff und Bunsen gemeinsam die Spektralanalyse. Hat man einmal die charakteristischen Spektren ermittelt können Elemente mit winzigen Mengen ermittelt werden, so genügt ein Nanogramm Natrium um es mittels seines Spektrums aus anderen Elementen herauszufinden.

Schon kurze Zeit nach der Entdeckung der Spektralanalyse fanden Bunsen und Kirchhoff zwei neue Elemente bei der Untersuchung Dürkheimer Sole, das Rubidium und das Cäsium.
Neben den oben vorgestellten Emissionsspektren gibt es eine weitere Art, die sog. Absorptionsspektren. Dabei gilt der Zusammenhang: Jeder gasförmige Stoff absorbiert nur die Spektren, die er bei Anregung aussendet.
Betrachtet man eine Spektraltafel des Sonnenlichtes, sieht man daß das bei grober Betrachtung kontinuierlich erscheinende Sonnenspektrum von etlichen feinen, schwarzen Linien durchzogen ist. Diese als Fraunhofer-Linien bezeichneten Linien stimmen mit den irdischen Spektallinien überein. Die kontinuierlichen Spektren werden von den glühenden Gasen in der äußeren Sonnenhülle erzeugt, weitere Linien entstehen durch Absorption in der Erdatmosphäre.
Mit Hilfe der Spektralanalyse kann das Licht von weit entfernten Sternen untersucht werden. Das Edegas Helium wurde 1868 durch seine Fraunhofer-Linien im Sonnenlicht entdeckt, aber erst 1895 auf der Erde gefunden.
Die Frage nach den gesetzmäßigen Zusammenhängen konnte Balmer im Jahr 1884 mittels des Wasserstoffspektrums klären. Anhand der Linien, die mit $\,H_{\alpha },H_{\beta },H_{\gamma }{\text{ und }}H_{\delta }$ bezeichnet werden und im sichtbaren Bereich des Spektrums liegen fand er rein empirisch eine Gleichung, die in heutiger, leicht abgewandelter Form (mit der Wellenzahl $N={\frac {1}{\lambda }}$ ) und der Rydberg-Konstanten $\,Ry=1{,}097\cdot 10^{-7}$ folgendermaßen lautet: $N=Ry\left({\frac {1}{2^{2}}}-{\frac {1}{m^{2}}}\right)$
Theoretisch begründen konnte man diese Formel vorerst noch nicht.

Röntgen-Strahlen

Werden schnelle Elektronen auf einem Hinderniss stark abgebremst entsteht energiereiche Röntgen-Strahlung, wenn die Elektronen die Atome des Bremsmaterials in einen angeregten Zustand versetzen und diese wieder in den Grundzustand zurückfallen. Ende 1895 leitete W. C. Röntgen mit dieser Entdeckung eine Revolution in der Medizintechnik ein. Röntgen-Strahlen

besitzen für alle Materie ein erhebliches Durchdringungsvermögen
regen viele Stoffe zur Fluoreszens bzw. Phosphoreszens an
ionisieren Gase
schwärzen Fotoplatten
zeigen Interferenzen bei der Reflexion und beim Durchgang durch Metalle

Genauere Untersuchungen zeigten später, daß Röntgen-Strahlung aus zwei Bestandteilen besteht. Diese beiden Bestandteile unterscheiden sich in Bezug auf Entstehung als auch auf ihre Zusammensetzung ganz erheblich.

Bremsstrahlung

Die Bremsstrahlung entsteht durch Abbremsung der Elektronen auf einer sehr kurzen Strecke. Da beschleunigte Ladungsträger elektromagnetische Wellen aussenden entstehen eben diese als Bremsstrahlen bezeichneten Röntgen-Strahlen mit einem kontinuierlichen Spektrum. Aus dem Energieerhaltungssatz ergibt sich das DUANE-HUNT-Gesetz zu

\,W_{k}=eU=h\nu _{G}

Daraus folgen durch einfaches Umformen $\nu _{G}={\frac {eU}{h}},\lambda _{G}={\frac {c}{\nu _{G}}}={\frac {ch}{eU}}{\text{ und }}N_{G}={\frac {eU}{ch}}$ .
Darin bedeuten

\nu _{G}

= Grenzfrequenz

N_{G}

= Grenzwellenzahl

\lambda _{G}

= Grenzwellenlänge

h

= Planck-Konstante

e

= Ladung des Elektrons

U

= Vom Elektron durchlaufene Spannung

c

= Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

\,W_{k}

= kinetische Energie des Elektrons

Eigenstrahlung oder auch charakteristische Strahlung
Die charakteristische Strahlung besteht aus Wellen mit scharf begrenzten Wellenlängen, die man ähnlich zum Licht in ein Linienspektrum auflösen kann. Genau wie beim optischen Spektrum gibt die charakteristische Strahlung Auskunft über die Vorgänge in den Atomhüllen. Allerdings sind die Frequenzen dieser Röntgenstrahlung etwa 10000 mal höher als die des optischen Spektrums, entsprechend größere Energie haben die Quanten der Röntgenstrahlung.