Absorptionsspektrum
Ein Absorptions- oder Absorptionslinienspektrum ist ein Farb- bzw. elektromagnetisches Spektrum, das dunkle Spektrallinien enthält. Es entsteht, wenn breitbandiges (weißes) Licht Materie durchstrahlt und Lichtquanten (Photonen) bestimmter Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche dabei absorbiert werden (Resonanzabsorption). Die absorbierten Photonen fehlen im hindurchtretenden Licht, weshalb das Spektrum bei den betreffenden Wellenlängen dunkel oder im Extremfall schwarz ist.
Diese dunklen Absorptionslinien werden im Sonnenspektrum nach ihrem Entdecker Fraunhoferlinien genannt, sind aber auch im Spektrum von Sternen und vielen anderen Himmelskörpern nachweisbar.
Beschreibung
Werden die Photonen absorbiert, indem sie Atome anregen, so handelt es sich um scharf definierte Energiebeträge und damit Wellenlängen, und die dunklen Bereiche sind dementsprechend schmale Linien. In Molekülen dagegen liegen oft viele absorbierbare Energiewerte dicht beieinander und bilden im Spektrum breitere dunkle Bereiche, die Absorptionsbanden. In jedem Fall ist das beobachtete Absorptionsspektrum charakteristisch für die Art der Materie, die von der Strahlung durchquert wird. Deshalb ist die Spektroskopie in verschiedenen Wellenlängenbereichen, auch mit ultraviolettem oder infrarotem Licht, eine wichtige Methode zur Analyse von Stoffen.
Werden freie Atome (z. B. Gas oder Dampf) spektroskopiert, so werden die Photonen nach der Absorption wieder emittiert, und zwar gleichförmig in alle Raumrichtungen. Wird das Licht nur aus einer Richtung eingestrahlt, so findet man im hindurchgetretenen Licht das für die Atomsorte (chemisches Element) typische Absorptionsspektrum als Linienspektrum; das in die anderen Raumrichtungen gestreute Licht zeigt das entsprechende Emissionsspektrum.
Bei der Spektroskopie von Festkörpern kann zwischen der Absorption und einer eventuellen Emission noch eine Relaxation im Festkörper auftreten. Dabei wird ein Teil der Photonenenergie z. B. in Wärme umgesetzt. In diesem Fall sind Absorptions- und Emissionsspektrum nicht wie bei den freien Atomen komplementär zueinander.
Bei „verbotenen Linien“ ist es extrem unwahrscheinlich, dass Absorption beobachtet werden kann.
Anwendung
Angewendet werden Absorptionsspektren auch in der (Umwelt-)Mess- und Analysetechnik: Mit Hilfe eines FTIR-Spektrometers kann beispielsweise die Zusammensetzung eines Gasgemisches (z. B. Luft) quantitativ und qualitativ untersucht werden. Anhand des für jedes Gas charakteristischen Absorptionsspektrums („wie ein Fingerabdruck“) kann die Menge dieses Gases in dem gemessenen Gasgemisch ermittelt werden.
In der Atomabsorptionsspektrometrie wird das Absorptionsspektrum einer Probe erzeugt und gemessen. Auf diese Weise lässt sich die atomare Zusammensetzung der Probe bestimmen.
Eine große Bedeutung haben Absorptionsspektren in der Astronomie, da man durch sie die stoffliche Zusammensetzung und Temperatur leuchtender Himmelskörper ermitteln kann (siehe das Beispiel des Sonnenspektrums rechts). Ferner lassen sich durch den Zeeman-Effekt Magnetfelder und mittels Dopplereffekt Rotationen und radiale Geschwindigkeiten bestimmen. Die mit der Entfernung zunehmende Rotverschiebung von Galaxien war bereits in den 1930er-Jahren der erste Hinweis auf die Expansion des Weltalls.
Weblinks
- Emissions- und Absorptionsspektrum auf Schülerniveau (LEIFI).
- Video: Absorptions- und Emissionsspektrum von Natrium. Institut für den Wissenschaftlichen Film (IWF) 2004, zur Verfügung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek (TIB), doi:10.3203/IWF/C-14885.
