AlleSpektrometer

Grundlagen

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Die Entstehung von Licht beim Natriumatom

Licht umgibt uns im alltäglichen Leben. Einige Körper strahlen dieses aus, andere reflektieren oder absorbieren es. Dadurch ist es für uns möglich, unsere Umwelt und deren Farben wahrzunehmen. Doch Licht enthält noch viel mehr Informationen als die Farbe, die wir sehen können. So besteht es eigentlich aus einer Zusammen­setzung von vielen Photonen, die auf unterschiedlichen Wellenlängen schwingen. Das Besondere dabei ist, dass jeder lichtemittierende und jeder licht­absorbierende Stoff eine charakteristische Verteilung dieser Photonen verursacht. Dadurch kann man anhand des Lichts herausfinden, von welchem Stoff es ausgestrahlt wurde oder welchen Stoff es durchdrungen hat. So ist man zum Beispiel in der Lage, Rückschlüsse über die Elemente zu ziehen, die in weit entfernten Sternen enthalten sind. Die Messgeräte, mit denen man diese Verteilung ermitteln kann, nennt man Spektrometer.

Die ausgestrahlten Spektralfarben hängen mit dem Aufbau des leuchtenden Stoffes auf atomarer Ebene zusammen. Wenn zum Beispiel Natrium durch Verbrennen zum Leuchten anregt wird, strahlt es aufgrund seines Atombaus nur Licht einer Wellenlänge von 589 nm aus. Beim Verbrennen wird dem Natriumatom Energie zugeführt. Diese wird vom einem Außenelektron aufgenommen, welches dadurch auf ein höheres Energieniveau angehoben wird. Nach kurzer Zeit fällt es von dem höheren Niveau wieder auf das Ausgangsniveau zurück. Die dabei wieder frei werdende Energie, welche dem Energieunterschied der beiden Niveaus entspricht, wird als Photon abgegeben. Weil die Wellenlänge eines Photons indirekt proportional zu seiner Energie ist, kann jedem Elektronenübergang eine bestimmte Wellenlänge zugeordnet werden. Bei Natrium entspricht der Energieunterschied des durch den Atombau bestimmten Elektronenübergangs genau den emittierten 589 nm.

Bei der Spektroskopie kann entweder die Lichtquelle direkt vermessen oder das Absorptionsverhalten einer Stoffprobe untersucht werden, wie im Bild unten zu sehen ist. Damit ein Spektrometer die Zusammensetzung des Lichtes analysieren kann, muss dieses in die einzelnen Wellenlängen aufgespalten werden. Dazu werden häufig optisches Gitter verwendet. Diese lenken das Licht abhängig von seiner Wellenlänge unterschiedlich stark ab. So treffen die Photonen der einzelnen Wellenlängen auf unterschiedliche Photozellen einer Kamerazeile. Die Messwerte der Photozellen werden anschließend als Graph dargestellt.

Funktionsweise Spektrometer
Funktionsschema eines Spektrometers