Spektroskopie: Wie Spektrallinien zustande kommen

In der Astrophysik werden Sterne anhand ihres Lichts analysiert und charakterisiert. Das wichtigste Hilfsmittel hierfür ist die Spektroskopie.

Licht lässt sich nicht nur als Teilchen (Photon) beschreiben, sondern auch als elektromagnetische Welle. Folglich weist Licht eine bestimmte Wellenlänge \(\lambda\) auf. Entscheidend ist, dass jede Wellenlänge einer bestimmten Energie entspricht – die Energie eines Photons lässt sich also auf Basis seiner Wellenlänge ermitteln.

Während kurze Wellenlängen für eine hohe Energie stehen, sind lange Wellenlängen mit niedrigerer Energie verbunden.

Die Energie \(E\) eines Photons kann mit einer gegebenen Wellenlänge \(\lambda\) einfach durch \(E = \frac{hc}{\lambda}\) berechnet werden. Bei \(\nu\) handelt es sich um das Planksche Wirkungsquantum, bei \(c\) um die Vakuumlichtgeschwindigkeit.

Elektronenübergänge in Atomen

Gemäß dem Bohrschen Atommodell umkreisen Elektronen ihren Atomkern auf diskreten Bahnen. Jede dieser Bahnen verfügt über ein fest definiertes Energieniveau, das von einem einzelnen Elektron besetzt werden kann. Ein Elektron auf einer höheren, weiter außen liegenden Bahn besetzt dabei ein höheres Energieniveau als ein Elektron auf einer niedrigeren Bahn.

Durch Stöße von Atomen untereinander oder durch Einwirkung von Photonen ist es möglich, dass ein Elektron von seiner Bahn auf eine andere Bahn übergeht, wobei entweder Energie aufgenommen oder abgegeben wird.

Absorption

Wird ein Photon von einem Atom absorbiert – dem internen System des Atoms wird also Energie hinzugefügt – weicht ein Elektron als Konsequenz auf eine höherenergetische Bahn.

Die Energiedifferenz der beim Übergang beteiligten Bahnen muss hierbei exakt der Energie des Photons entsprechen. Nur unter dieser Bedingung kann das Photon absorbiert werden.

Linien im Spektrum

Betrachtet man anschließend das Lichtspektrum eines Objekts, in dem ein solcher Absorptionsprozess stattgefunden hat, treten an bestimmten Stellen Absorptionslinien auf.

Die absorbierten Photonen fehlen im Spektrum — Die absorbierten Photonen fehlen im betrachteten Spektrum und hinterlassen schwarze Linien (Absorptionslinien). Die Skala gibt die Wellenlänge in nm an.

Die Stelle, an der die Wellenlänge des absorbierten Photons dargestellt wird, bleibt im Spektrum schwarz, denn das Licht mit exakt dieser Wellenlänge wurde von einem Atom aufgenommen. Ein absorbiertes Photon mit einer Wellenlänge von beispielsweise \(\mathrm{\lambda} = 620 nm\) hinterlässt eine Absorptionslinie bei 620 nm im elektromagnetischen Spektrum.

Emission

Beim umgekehrten Prozess geht ein Elektron von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres Energieniveau über. Der Energieüberschuss wird in Form eines Photons freigegeben. Analog zum Absorptionsprozess weist das emittierte Photon eine Energie auf, die der Differenz der beteiligten Energieniveaus entspricht.