Emissionsspektrum

Ein Emissionsspektrum ist das elektromagnetische Spektrum, das von Atomen, Molekülen oder Materialien ausgestrahlt wird, ohne dass elektromagnetische Strahlung gleicher Frequenz eingestrahlt wird. Das Gegenstück eines Emissionsspektrums bildet das Absorptionsspektrum.

(1) Zwei Darstellungen des Emissionsspektrums einer Leuchtstofflampe ; 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.
(2) Zwei Darstellungen des Spektrums einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe. Obere Aufnahme mit einem 256-Pixel-Zeilensensor. Untere Aufnahme mit einer Kamera
(3) Zwei Darstellungen des Spektrums einer Niederdruck-Cadmiumdampflampe. Obere Aufnahme mit einem 256-Pixel-Zeilensensor. Untere Aufnahme mit einer Kamera

Atomspektrum

Ein Atomspektrum ist das Emissionsspektrum eines einzelnen isolierten Atoms, also die Intensität des von ihm ausgesandten (emittierten) Lichts als Funktion der Wellenlänge (oder Frequenz). 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 anderen Photons, mit jener Energie, abgegeben, also emittiert. Diese Energie (oder im Spektrum die Linie) ist diskret, kann also nicht beliebige Werte annehmen. Dieses bedingt, dass jedes Atom - entsprechend seiner Elektronenkonfiguration - nur Teilchen diskreter Wellenlänge emittieren kann. Die Wellenlängen der emittierten Teilchen sind daher spezifisch für ein bestimmtes Element. Dass die „Linien“ im Spektrum (‚peaks‘) exakterweise Kurven mit einer bestimmten Breite sind, beruht auf Quanteneffekten.

Ein Vergleich der beiden oberen Bilder (1, 2) zeigt, dass die Spektrallinien mit steigendem Gasdruck breiter werden. Bei sehr großem Druck kann die Linienbreite so weit ansteigen, dass man ein Lichtkontinuum ähnlich wie bei einem Festkörper beobachtet. Ursache ist die häufiger werdende gegenseitige Störung der Atome beim Zusammenprall. Am Beispiel der Spektrallinie bei 491,6 nm erkennt man, dass die relative Intensität dieser Linie stark vom Gasdruck abhängt.

Im unteren Bild (3) erkennt man eine andere Charakteristik der Spektrallinien für das Element Cadmium.

Wird durch Absorption eines Photons ein Elektron ganz vom Atom gelöst, spricht man von einer Ionisierung des Atoms. Hierfür ist, abhängig vom Ausgangszustand des Elektrons, eine bestimmte Mindestenergie notwendig. Da für einen kontinuierlichen Energiebereich über der Mindestenergie eine Ionisierung möglich wird, ist ein Kontinuum möglich. Der umgekehrte Vorgang, die Emission eines Photons beim Einfangen eines Elektrons, nennt man Rekombination des Elektrons mit dem positiven Ion. Bei diesem Vorgang entsteht kontinuierliche Strahlung, das Grenzkontinuum.

Molekülspektrum

Ein Molekülspektrum ist im Ergebnis eines Spektrums dem beschriebenen Atomspektrum gleich. Allerdings sind die Energieniveaus zumeist anders und so liegen die relevanten Linien im Infraroten.

Emissionsspektrum eines festen oder flüssigen Materials

Während das Emissionsspektrum verdünnter Gase ein Linienspektrum ergibt, emittieren heiße Festkörper und Flüssigkeiten ein kontinuierliches Spektrum, weil die einzelnen Atome zusätzlich miteinander wechselwirken und somit die diskreten Quantenzustände ineinander übergehen. Solch ein kontinuierliches Spektrum lässt sich berechnen, indem man das Spektrum eines Schwarzen Strahlers (Plancksches Strahlungsgesetz) gleicher Temperatur mit dem Absorptionskoeffizienten für elektromagnetische Strahlung des „Objekts“ bei der jeweiligen Wellenlänge multipliziert.

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