Spektrallinie

Kontinuierliches Lichtspektrum ohne Spektrallinien

Farbige Emissionslinien

Absorptionslinien

Spektrallinien (auch Resonanzlinien) zeigen sich als scharfe, voneinander getrennte Linien im Spektrum des Lichtes (im weitesten Sinn), das mit der Materie in Wechselwirkung tritt. Handelt es sich um ein reines Emissionsspektrum erscheinen sie als farbige Emissionslinie auf schwarzem Hintergrund, während sie sich beim Absorptionsspektrum als feine schwarze Absorptionslinie im kontinuierlichen Farbspektrum zeigen. Die im Spektrum des Sonnenlichts erscheinenden Absorptionslinien werden auch als Fraunhoferlinien bezeichnet. Die durch Spektralanalyse feststellbare Lage und Intensität der Linien gibt genauen Aufschluss über die Art und Menge der beteiligten Stoffe.

Liegen viele Spektrallinien dicht beisammen oder überlappen einander, so bilden sie Spektralbanden (Emissionsbanden oder Absorptionsbanden) bzw. insgesamt ein Bandenspektrum.

Die physikalische Ursache der Spektrallinien liegt im diskontinuierlichen Aufbau der Elektronenhülle der Atome und den durch das Licht angeregten elektronischen Übergänge in den Atomen oder Molekülen. Aus geisteswissenschaftlicher Perspektive kann man darin auch eine Offenbarung der ordnenden Kräfte des Klangäthers sehen, den Rudolf Steiner auch als chemischen Äther, Zahlenäther oder mathematischen Äther bezeichet hat. Die moderne Quantenphysik zeichnet davon ein mathematisch-abstraktes Gedankenbild.

Nach Rudolf Steiner war die Entdeckung der Spektralanalyse eine der Voraussetzungen, die die Veröffentlichung grundlegender Wahrheiten der Rosenkreuzer notwendig machte. (Lit.:GA 262, S. 23)

Flammenfärbung

Die typische Flammenfärbung der chemischen Elemente resultiert aus der spezifischen Struktur ihrer Elektronenhüllen und der ihnen entsprechenden Spektrallinien. Durch die Flammprobe können sie daher leicht identifiziert werden.

• Die typischen Flammenfärbungen einiger chemischer Elemente
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  Antimon, hellblau

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  Arsen, fahlblau

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  Blei, fahlblau

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  Bor, kräftig grün

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  Calcium, ziegelrot

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  Kalium, violett

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  Kupfer, grün, auch blau

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  Lithium, karminrot

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  Natrium, gelb

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  Strontium, rot

Feinstruktur

Das vereinfachte Termschema des Natriums verdeutlicht die Aufspaltung der Natrium-D-Linie durch die Feinstrukturaufspaltung des 3p-Niveaus.

Bei hoher spektraler Auflösung zeigen die Spektrallinien eine charakteristische, Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte Feinstruktur, die sich größtenteils auf die nach der Relativitätstheorie veränderte Kinematik und auf die Spin-Bahn-Kopplung zurückführen lässt. Die erst 1924 entdeckte Hyperfeinstruktur beruht auf der Wechselwirkung der Elektronen mit den Kernmomenten und die 1947 entdeckte Lamb-Verschiebung auf der durch die Quantenelektrodynamik (QED) beschriebenen Vakuumpolarisation.

Ein typisches Beispiel für die Feinstruktur ist die Aufspaltung der Natrium-D-Linie, die die markante gelbe Flammenfärbung von Natrium erzeugt. Durch Kopplung des Elektronenspins mit dem Bahndrehimpuls wird der 3p-Zustand in zwei Zustände mit dem Gesamtdrehimpuls j=1/2 bzw. 3/2 aufgespalten, abhängig davon, ob Spin und Bahndrehimpuls parallel oder antiparallel eingestellt sind. Die Energiedifferenz zwischen den beiden Zustände beträgt 0,0021 eV, was einer Frequenzdifferenz von 515 GHz bzw. den Wellenlängen 588,9950 nm (D₂) und 589,5924 nm (D₁) entspricht.

Linienbreite

Spektrum einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe:
Die Kurve der oberen Aufnahme mit einem 256-Pixel-Zeilensensor zeigt deutlich die Verbreiterung der Spektrallinien. Die untere Aufnahme wurde mit einer Kamera gemacht.

Wären die Spektrallinien ideale eindimensionale Linien, könnte man sie nicht sehen oder messen. Tatsächlich haben sie immer eine endliche, an den Rändern unscharf auslaufende Breite. Das liegt an verschiedenen physikalischen Effekten.

Natürliche Linienbreite

Die natürliche Linienbreite, die auch unter besten Bedingungen nicht unterschritten werden kann, beruht auf den Gesetzen der Quantenphysik. Nach der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation sind die Energie $LaTeX: E$ und die Zeitdauer $LaTeX: t$ eines Quantenzustands prinzipiell niemals gleichzeitig exakt festgelegt. Das Produkt der Energieunschärfe $LaTeX: \Delta E$ und der Zeitunschärfe $LaTeX: \Delta t$ liegt in der Größenordnung des Planckschen Wirkungsquantums $LaTeX: h$, d.h. $LaTeX: \Delta E \cdot \Delta t \; \gtrsim \; h$. Aus der notwendigerweise endlichen Lebensdauer $LaTeX: \Delta t$ des Anregungszustands, der zur Lichtaussendung führt, wenn er in den Grundzustand zurückfällt, resultiert damit eine entsprechende Energieunschärfe $LaTeX: \Delta E$. Da die Energie proportional der Frequenz $LaTeX: \nu$ ist (je höher die Frequenz, desto höher die Energie) gemäß $LaTeX: \Delta E = h \Delta \nu$, ist damit auch eine Frequenzunschärfe $LaTeX: \Delta \nu$ verbunden, die zur Verbreiterung der Spektrallinie führt.

Siehe auch

• Spektrallinien - Artikel in der deutschen Wikipedia

Literatur

• Rudolf Steiner / Marie Steiner-von Sivers: Briefwechsel und Dokumente 1901–1925, 2., völlig überarbeitete und erweiterte Auflage, GA 262 (2002), ISBN 3-7274-2620-9 pdf pdf(2) html mobi epub archive.org English: rsarchive.org

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Weblinks

Commons: Spektrallinien - Weitere Bilder oder Audiodateien zum Thema