Elektromagnetisches Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum bezeichnet die Gesamtheit aller elektromagnetischer Strahlung. Der bekannteste Ausschnitt ist das sichtbare Licht, es ist im Spektrum zwischen circa 400 und 780 nm zu finden.

Das Licht, das uns weiß erscheint, setzt sich aus allen Farben des für uns sichtbaren Spektrums zusammen. Der kurzwellige Bereich, ab 400 nm, ist Violett, der langwellige, um 700 nm, ist Rot. Und je kürzer die Wellenlänge $ \lambda $, desto höher die Frequenz $ f $ : $$ f=\frac{c}{\lambda},$$ wobei $c$ die Lichtgeschwindigkeit ist.

Das elektromagnetische Spektrum umfasst allerdings noch einige weitere Bereiche. Wird die Wellenlänge kleiner so gelangen wir zu der Ultraviolettstrahlung (UV), danach zur Röntgenstrahlung und schließlich in den Wellenlängenbereich der Gammastrahlung. Mit sinkender Wellenlänge geraten wir also in Bereiche energiereicherer Srahlung. Energiereicher bedeutet, dass die Energie der einzelnen Photonen $ E_{photon} = h \cdot f $ zunimmt und dies sollte nicht mit Intensität oder Leistung verwechselt werden.

Gehen wir vom sichtbaren Licht zu den langwelligeren Strahlungen, so erreichen wir die Infrarotstrahlung (IR), die Mikrowellen, sowie die Radiokurzwellen (UKW). Danach gelangen wir in den TV- und Funk-Wellenbereich, wie zu den Radiomittelwellen und den Radiolangwellen. Für die verschiedenen Bereiche gibt es allerdings keine klaren Grenzen und dem Spektrum ist auch kein Ende gesetzt. Nur eine dieser aufgezählten Strahlungen können wir Menschen noch neben dem sichtbaren Licht ohne technische Hilfsmittel wahrnehmen und das ist die IR-Strahlung. Diese spüren wir als Wärme, wie sie beispielsweise von einem Feuer ausgeht.

Von Horst Frank / Phrood / Anony - Horst Frank, Jailbird and Phrood, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3726606

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Wir betrachten im folgenden Verlauf nur den Ausschnitt des sichtbaren Lichts des elektromagnetischen Spektrum.

Ein kontinuierliches Spektrum ist ein vollständig, durchgängiges und zusammenhängendes Spektrum aller Wellenlängen/Frequenzen. Für das sichtbare Spektrum bedeutet dies, dass alle Farben enthalten sind. Betrachtet man einen Regenbogen, wird einem bewusst, dass unsere Sonne solch ein kontunuierliches sichtbares Spektrum emittiert.

Ein diskretes Spektrum hingegen ist Lückenhaft. Es wird als diskret bezeichnet, weil es lediglich einzelnen diskreten Wellenlängen bzw. Frequenzen enthält - sprich es sind nur eine bestimmte Anzahl an “Farben” in diesem sichtbarem elektromagnetischen Spektrum vertreten. Diskrete Spektren treten beispielsweie bei Leuchtstoffröhren auf.

Von einem Emissionsspektrum wird gesprochen, wenn man die emittierte elektromagnetische Strahlung eines Atoms, Moleküls oder beispielsweise einer ganzen Sonne betrachtet. Abhängig vom Entstehungsprozess der elektromagnetischen Strahlung kann ein Emissionsspektrum diskret oder kontinuierlich sein. Das sichtbare Spektrum unserer Sonne ist kontinuierlich, jedoch das Emissionsspektrum einer Leuchtstoffröhre ist diskret, denn Leuchtsoffröhren arbeiten mit verschiedenen Gasen, die aufgrund ihrer Elektronenkonfiguration diskrete Energieübergänge bestitzen.

Foto einer Quecksilberdampflampe (Niederdruck) mit Linienspektrum.
Von Sheevar, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=14253822

Elektronen in einem Atom können nur bestimmte Bahnen und damit verknüpfte bestimmte (diskrete) Energieniveaus besetzen. Bei einem Übergang zwischen den Energieniveaus muss das Elektron Energie aufnehmen oder abgeben, dies kann durch die Absorption oder Emission eines Photons geschehen. Diese Energieübergabe von Elektron an Photon und umgekehrt $E_{photon}=h \cdot f$ kann zur Identifikation eines Elements genutzt werden, da wir abhängig von der Frequenz/Wellenlänge eine andere Farbe sehen. Nicht alle Übergänge in einem Atom sind sogenannte “strahlende Übergänge” jedoch reicht häufig die Anzahl der strahlenden Übergänge aus um ein Element anhand des Emissionsspektrums zu erkennen.

Genau wie die Emissionsspektren geben auch Absorptionsspektren Auskunft über die Energiezustände von Atomen und Molekülen. Das Emissionsspektrum ist sozusagen das Gegenstück zum Absorptionsspektrum.

Leuchtstoffröhren mit Helium, Neon, Krypton, Argon und Xenon.
Von Horst Frank / Phrood / Anony - Horst Frank, Jailbird and Phrood, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3726606

Auch ein Absorptionsspektrum ist ein elektromagnetisches Spektrum. Anders als beim Emissionsspektrum werden beim Absorptionsspektrum die “dunkelen Bereiche”, also die Information über fehlende Farben, zur Identifikation eines Elements verwendet. Dafür wird Materie mit breitbandigem Licht, also weißem Licht (alle Farben), durchleuchtet. Die dunkelen Bereiche entstehen durch die Absorption der jeweiligen Farben durch die Atome der Materie.

Zur Absorption kommt es, wenn ein Atom der Materie durch ein Photon des Lichts angeregt wird. Durch die Anregung des Atoms wird das Photon vernichtet und da das Photon sozusagen der kleinste Vertreter einer bestimmten Frequenz elektromagnetischer Strahlung ist, tritt die Lücke im Absorptionsspektrum auf. Absorptionsspektren geben also ebenfalls Auskunft über die Energiezustände von Atomen und Molekülen.

Fraunhofer Linien im Absorptionsspektrum einer Sonne durch Resonanzabsorption der Gase in der Sonnen-Photosphäre.

Jedem beobachtbaren Absorptionsspektrum kann eine bestimmte Art von Materie zugeordnet werden. Im Versuch D05 müsst Ihr solch ein charakteristisches Absorptionsspektrum, welches Ihr beobachtet habt, dem richtigen Gas zuordnen.